Сценарий основного занятия (90 минут)
Этап 1. Организационный момент (00–05 мин)
Преподаватель входит в аудиторию, приветствует группу, отмечает отсутствующих, выводит Слайд 1 презентации на интерактивную панель.
Преподаватель: «Здравствуйте, коллеги! Рад всех видеть. Сегодня на занятии 04 мы приступаем ко второму разделу нашей дисциплины — "Вычислительные приборы и устройства". Тема урока: "Классы вычислительных машин". Откройте рабочие материалы в браузерах. Наша цель сегодня — выйти за пределы бытового понимания компьютера как системного блока под столом и сформировать системное инженерное видение: почему чип в умных часах, рабочая станция архитектора, сервер Сбера и суперкомпьютер из TOP500 устроены совершенно по-разному, хотя все они складывают нули и единицы».
Этап 2. Актуализация опорных понятий (05–15 мин)
Преподаватель: «На прошлых занятиях мы говорили о фундаментальной архитектуре фон Неймана. Давайте вспомним: в чем заключается ее ключевой принцип? Кто готов сформулировать? Верно — принцип хранимой программы и единая память команд и данных. А теперь подумайте: если шина одна, что происходит в момент, когда процессор считывает инструкцию? Он не может одновременно читать данные из памяти. Это знаменитое "бутылочное горлышко фон Неймана". Именно борьба с этим ограничением породила Гарвардскую модель и аппаратное разделение современных компьютеров на классы».
Этап 3. Теоретический блок 1: Встраиваемые системы, ПК и рабочие станции (15–35 мин)
Преподаватель переключает презентацию на Слайды 2–7, демонстрируя схемы фон Неймана и Гарварда, а затем компоненты микроконтроллеров и рабочих станций.
Преподаватель: «Обратите внимание на Слайд 4: микроконтроллер (MCU). Это не просто слабый процессор. Это законченная ЭВМ на одном кремниевом кристалле. Внутри него — и процессорное ядро, и оперативная память SRAM, и Flash-память программ, и генератор тактов, и аналого-цифровые преобразователи с контроллерами шины CAN. Почему в робототехнике и тормозных системах автомобилей не ставят мощные процессоры от смартфонов с частотой 3 ГГц? Потому что микроконтроллер обеспечивает режим Hard Real-Time — жесткое реальное время. Если колесо автомобиля теряет сцепление с дорогой, контроллер ABS должен сработать строго за 2 миллисекунды. Смартфон с Android в этот момент может выполнять сборку мусора в памяти и зависнет на 100 миллисекунд — что приведет к катастрофе».
Преподаватель: «Теперь посмотрим на противоположный край спектра персональных устройств — рабочие станции (Слайд 7). Чем они отличаются от мощного игрового ПК? Двумя ключевыми вещами: оперативной памятью с коррекцией ошибок ECC Registered и колоссальным числом линий шины PCIe (до 128 линий в сокетах AMD Threadripper Pro или Intel Xeon W). В домашнем компьютере сбой одного бита из-за космического излучения вызовет синий экран и перезагрузку. В студии 3D-анимации или архитектурном бюро, где сложный проект рендерится трое суток подряд, один битый бит испортит весь массив кадров или вызовет незаметное микроискажение геометрии моста. ECC память аппаратным кодом Хэмминга на лету находит и исправляет такие сбои без остановки вычислений».
Этап 4. Теоретический блок 2: Серверы, Суперкомпьютеры и Мэйнфреймы (35–60 мин)
Преподаватель открывает Слайды 8–12. На экране появляется сравнительная таблица «Суперкомпьютер vs Мэйнфрейм».
Преподаватель: «Переходим к тяжелой артиллерии. Серверы общего назначения (Слайд 8) строятся по модели ccNUMA. Это многопроцессорные монстры, где доступ к планкам ОЗУ своего сокета быстрее, чем к соседнему сокету через шины UPI или Infinity Fabric. Но самый захватывающий батл в архитектуре аппаратных средств — это Суперкомпьютер против Мэйнфрейма (Слайд 11). Запомните: это противоположные архитектурные философии!».
Преподаватель: «Суперкомпьютеры из мирового рейтинга TOP500 — это кластеры из десятков тысяч узлов, решающие одну гигантскую физическую задачу: например, прогноз погоды на планете по сеткам уравнений Навье-Стокса. Их производительность измеряется в петафлопсах и экзафлопсах (Frontier перешагнул рубеж в 1.2 Экзафлопса, то есть триллион триллионов операций в секунду!). Но если в суперкомпьютере упадет один узел из двадцати тысяч, расчет не гибнет — задача откатывается к последней контрольной точке (чекпоинту)».
Преподаватель: «А теперь представьте банковскую систему (Слайд 10). В ней недопустима потеря даже 1 байта и невозможен "откат к контрольной точке", когда списываются миллиарды рублей. Для этого существуют мэйнфреймы (IBM zSystems). Их концепция — RAS (Reliability, Availability, Serviceability). Доступность "семь девяток": $99.99999\%$. Это означает суммарный простой менее 3 секунд за год работы! В мэйнфреймах ядра процессоров работают в режиме Lock-Step: две пары ядер параллельно синхронно исполняют одну и ту же инструкцию, сравнивая результат на тактовом уровне. А весь дисковый и сетевой ввод-вывод переложен на десятки специализированных канальных процессоров SAP. Поэтому центральные процессоры никогда не простаивают в ожидании ответа дисков».
Этап 5. Практикум: Архитектурный выбор по кейсам (60–80 мин)
Преподаватель просит студентов открыть файл zanyatie.html, объясняет структуру заданий и распределяет варианты.
Преподаватель: «Переходим к практической части. Откройте интерактивный лист zanyatie.html. Введите свои ФИО и группу. Перед вами 4 прикладных кейса:
1. Бортовая система беспилотного транспорта (микроконтроллеры/SoC).
2. Облачный банковский процессинг высокой доступности (мэйнфреймы/HA-кластеры).
3. Климатическое моделирование гидродинамики (HPC, InfiniBand, векторные ускорители).
4. Рабочее место отдела графики и 8K видеомонтажа (рабочая станция с ECC).
Вам необходимо заполнить сравнительную матрицу, выбрать целевой класс под назначенный вариант, обосновать конфигурацию оборудования и описать риски неверного выбора. Время на работу — 20 минут. Данные автоматически сохраняются в вашем браузере».
Студенты выполняют работу, преподаватель перемещается по аудитории, оказывая методическую помощь и контролируя аргументацию.
Этап 6. Подведение итогов, разбор ошибок и рефлексия (80–90 мин)
Преподаватель возвращает внимание группы, выводит Слайд 14 (Ошибки) и Слайд 15 (Мем xkcd).
Преподаватель: «Давайте подведем итоги. Главный вывод сегодняшнего урока: выбор класса ЭВМ — это всегда поиск баланса между надежностью, детерминизмом, задержкой и вычислительной плотностью. Слайд 15 напоминает нам классическую истину: даже обладая петафлопсами суперкомпьютера, программист всегда найдет повод сказать "Код компилируется!". Нажмите кнопку "Сохранить" в ваших интерактивных листах. Те, кто пропустил пару или хочет повысить балл, получат резервное домашнее задание domashnee_zadanie.html по индивидуальному назначению. Всем спасибо за продуктивную работу!».