项目编号：202002142025
项目类型：新工科建设项目
项目实施背景
随着人工智能和数据密集型新兴行业应用的快速发展，HPC逐渐应用于更多与国家安全和国民经济息息相关的新兴领域，例如大数据、智慧城市、深度学习和大模型等。HPC的硬件系统和应用软件的发展水平已成为衡量国家综合实力与高新技术水平的重要标志。
目前，绝大部分HPC系统是基于X86服务器的集群架构进行构建的，但ARM架构凭借体积小、功耗低、低成本和高性能等优势，正逐渐在HPC领域占据更多市场份额。华为公司早在2019年初就向业界发布了基于ARM架构的“鲲鹏”自研处理器，并陆续打造了成熟的、自主创新的鲲鹏计算产业生态，打破了国外关键技术封锁。如何让并行程序设计人员在硬件和软件方面更好地了解ARM架构及编程技术，充分发挥性能优势，已成为当前国内HPC软件产业的重要挑战。在传统并行计算课程中，缺乏针对ARM架构平台进行软件设计和优化的方法，直接制约了处理器应用的普及和深入。因此，开设基于华为鲲鹏等平台的高性能与并行计算课程，培养HPC应用人才，具有重要性和紧迫性。
改革思路及举措
本项目依托华为鲲鹏HPC资源优势，旨在优化高性能计算课程体系，为师生提供创新实战条件，协同育人，增强国内高性能和并行计算教育水平，提高学生的工程实践能力。具体改革思路包括融合最新技术、加强实践教学和协同育人；通过校企合作提升教师专业素养和科研能力，推动“教-学-研”协同发展。
首先，在高性能与并行计算课程教学内容优化方面，项目融合ARM架构知识和华为鲲鹏HPC结构，扩展和优化课程教学内容，制定新的教学大纲。课程内容主要分为五个部分：并行计算基础、并行程序设计基础、基于共享内存的并行程序设计、基于消息传递的并行程序设计和并行算法设计与性能调优。项目成员收集最新资料和研究前沿动态，开发相应的教学资源和课件，确保课程内容的全面性和先进性，使学生能够紧跟技术发展步伐。
其次，在高性能与并行计算课程实践内容优化方面，培养学生的实际动手能力是本课程的核心目标，因此教学中的实践环节是课程中的重要内容。实践教学采用PPT讲解后进行实验的方式，由指导教师分组进行指导和实践。在实践课程中，教师详细讲授华为鲲鹏HPC解决方案的基础设施、硬件平台和软件生态以及具体的系统软件使用方法，并让学生进行实际操作练习，以鲲鹏HPC为平台培养学生解决实际问题的能力。同时，通过课程加分等方式，鼓励学生以小组形式参加相关的学科竞赛，如华为软件精英挑战赛、鲲鹏应用创新大赛、全国并行应用挑战赛、世界大学生超级计算机竞赛等。学生将课堂学习到的调优方法与实际HPC应用相结合，提高了专业技术能力和团队协作精神。教师再基于以上内容整理并编写实验教材和详细的实验指导书，确保实践教学有据可依。
最后，在培养高性能与并行计算课程教学团队方面，整合年轻师资力量，建立课程教学团队。教师通过参与华为相关的专业培训等方式，切实提高专业素养，以期未来打造MOOC等在线精品课程，扩大哈工大高性能和并行计算学科以及华为鲲鹏HPC的影响力。通过本次合作，学校定期派遣教师深入华为一线交流，了解公司实际项目需求，进一步加强校企合作；同时利用好华为资源，提升教师的实际项目经验和科研能力，推动“教-学-研”协同发展。
综上所述，本项目通过优化高性能与并行计算课程体系，提高教学质量和学生实践能力，推动哈工大并行教育水平和华为鲲鹏HPC平台的应用发展，旨在培养具备前沿技术知识和实践能力的高素质HPC应用人才。
项目成果、创新点及成效
项目主要成果如下：
（1）借助华为公司提供的鲲鹏HPC软硬件资源，打造了融合ARM架构知识和鲲鹏等HPC的《并行计算》课程体系，扩展和优化了课程教学内容，形成了完整的教学课件。课程教学得到了学生的一致好评，2021-2023秋季学生评教连续三次结果为A等级，累计培养学生300余人；
（2）面向华为鲲鹏架构，课程组教师成功申请了CCF-华为胡杨林基金项目“HPC程序运行时计算迭代特征识别和预测”，吸引了10余名选修《并行计算》课程的大四学生参与到该项目并进行毕业设计，均得到了答辩专家的一致认可；选修《并行计算》课程的学生积极参加世界大学生超级计算机竞赛（ASC）、全国并行应用挑战赛（PAC）等超算竞赛，获得ASC2024全球二等奖两项，充分体现了所建课程的教学作用；项目负责人与机械工业出版社合作，组织《并行计算》课程师生参与高性能&并行计算领域译著《高性能并行运行时系统：设计和实现》。
图 1 参与译著《高性能并行运行时系统：设计和实现》、荣获ASC2024全球二等奖两项
（3）《并行计算》课程对ARM架构和鲲鹏等知识进行了有效融合，教育部产学合作协同育人项目“基于华为鲲鹏的高性能与并行计算课程建设”结题为优秀，成果入选2022年度教育部产学合作协同育人项目优秀项目案例、获2023年度教育部产学合作协同育人项目华为优秀成果奖，如图2所示：
图2 项目荣获多个奖项
（4）以该项目和华为胡杨林基金为基础，指导学生发表CCF A类顶级期刊IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems论文1篇，申请专利1项，如图3所示。该论文针对人工智能应用在异构系统上的周期性，提出了频域分析和时域分析相结合的动态周期检测算法，并在此基础上实现了低开销的异构系统运行时能效预测及优化方法，在保障程序性能的同时，实现系统节能15%以上。其中的动态周期检测算法已向ARM架构的鲲鹏服务器扩展，以实现HPC程序运行时计算迭代特征识别和预测。
图3 学生在CCF A类顶级期刊发表论文1篇、申请专利1项
项目主要创新点如下：
（1）以新工科要求为导向，在已有精品课程的基础上融入华为HPC资源优势，构建全新的、包含ARM架构HPC知识的高性能与并行计算课程体系；课程融合知识共享、动手实践、协同探究、学科竞赛等为一体，激发学生兴趣，切实提高教学效果；
（2）项目采用实践性教学方式，以国家科研需求为牵引，结合华为鲲鹏HPC平台，着重培养学生解决实际问题的能力以及对鲲鹏HPC应用开发、移植和优化能力，为HPC系统建设和高效应用输送实用型、高素质的创新人才，也促进了华为鲲鹏计算在未来相关行业的快速布局；
（3）项目作为校企合作的重要载体，将教师相关科研项目、学生创新实践与华为实际需求相结合，加快实现科研项目落地转化、“教-学-研”协同发展。
应用及推广情况
（1）2021年09月至2023年12月期间，该项目所建《并行计算》课程及教学材料已成功应用于哈尔滨工业大学并行计算课程授课中，并完成多轮授课，教学内容得到学生一致好评；
（2）利用项目驱动，体现教学影响。在协同育人课程共建的基础上，课程组教师面向华为鲲鹏架构，申请华为的胡杨林基金项目，吸引了10余名选修了《并行计算》课程的学生参与到该项目进行毕业设计，充分体现了并行计算课程的教学作用；
（3）项目所建设的《并行计算》课程对ARM架构和鲲鹏等知识进行了有效融合，得到了华为专家的认可，教学大纲、教学课件及实验手册已在华为官网上线共享，供教学下载和参考；项目负责人团队教师受邀面向广大师生作了题为“基于华为鲲鹏的并行计算学习和实践经验分享”的报告。
经验总结
成功要素：本项目的成功得益于哈工大与华为公司之间的深度合作，充分利用企业资源，提升课程质量；通过增加实践教学环节，使学生能够将理论知识应用于实际问题，提高了教学效果；通过教师培训和科研项目合作，提升了教师的专业素养和科研能力，确保了课程的高质量实施。
经验启示：在信息技术飞速发展背景下，课程内容需要不断更新，确保学生掌握前沿技术；实践教学环节是培养学生实际操作能力的重要环节，应不断优化和加强；校企合作是提升课程质量和教学效果的重要手段，应积极探索和深化。
