Технологическая карта учебного занятия №08

Дисциплина: ОП.02 Архитектура аппаратных средств

Тема: Раздел 3. Технологии повышения производительности процессоров (§2.2 с.8 программы)

Организация: ММКЦТ «Академия TOP»

Регламент времени: 2 академических часа (основной 90 минут / сокращенный 60 минут)

1. Учебно-материальное и дидактическое оснащение

2. Поминутный план и хронокарта занятия (Основной регламент: 90 минут)

Время Этап занятия Деятельность преподавателя Деятельность студентов
00–05 мин (5 мин) Организационный момент и актуализация темы Приветствует обучающихся, проверяет готовность рабочих мест. Демонстрирует слайды 1–2: ставит проблемный вопрос о причинах стагнации тактовых частот на уровне 3–5 ГГц при взрывном росте вычислительной мощности. Знакомит с формулой Время = N × CPI × T_clk. Приветствуют преподавателя, запускают браузеры на рабочих станциях. Участвуют в эвристической беседе, формулируют гипотезы об оптимизации архитектуры.
05–25 мин (20 мин) Теоретический блок 1: Конвейеризация и конфликты Демонстрирует слайды 3–5. Разбирает 5 стадий конвейера (IF, ID, EX, MEM, WB). Анализирует конфликты: структурные, по данным (RAW, WAR, WAW) и по управлению. Показывает возникновение пузырей NOP и работу блока аппаратного форвардинга (Forwarding Unit). Следят за визуализацией тактовой диаграммы. Фиксируют в конспектах разницу между задержками без байпассинга (2 такта) и с байпассингом (0 тактов), выявляют случай Load-Use hazard.
25–45 мин (20 мин) Теоретический блок 2: Суперскалярность, Out-of-Order и предсказание переходов Демонстрирует слайды 6–10. Объясняет алгоритм Томасуло: переименование регистров (RAT/PRF) для снятия WAR/WAW, станции резервирования и общую шину CDB. Поясняет, почему коммит в ROB обязан быть In-Order. Разбирает 2-битные и TAGE предсказатели переходов и штраф за сброс конвейера (15–20 тактов). Анализируют блок-схему Out-of-Order ядра. Задают уточняющие вопросы о точной модели прерываний и аппаратных уязвимостях спекулятивного исполнения (Spectre).
45–60 мин (15 мин) Теоретический блок 3: Векторизация SIMD, термический барьер и закон Амдала Демонстрирует слайды 11–15. Разбирает расширения SSE (128 бит), AVX2 (256 бит), AVX-512 (512 бит) и операцию FMA. Объясняет физику термического барьера: формула мощности P = C × V^2 × f и нарушение закона Деннарда. Выводит закон Амдала S(N) = 1 / ((1-p) + p/N). Показывает мем xkcd #303 о параллелизме. Изучают таблицу SIMD-регистров, анализируют график закона Амдала, рассчитывают теоретический предел ускорения при разной доле последовательного кода.
60–80 мин (20 мин) Практикум: интерактивный расчетный лист Инструктирует по открытию zanyatie.html. Распределяет студентов по 4 вариантам инженерного анализа: Вариант 1 (RAW и байпассинг), Вариант 2 (Закон Амдала), Вариант 3 (Branch Misprediction Penalty), Вариант 4 (SIMD AVX-512 FLOPS). Осуществляет адресный контроль и индивидуальные консультации. Вводят ФИО и группу в рабочем листе. Выполняют расчеты задержек, пределов ускорения или флопсов по своему варианту. Формулируют аргументированные инженерные выводы. Сохраняют данные в localStorage.
80–87 мин (7 мин) Фронтальная верификация и разбор типичных ошибок Организует фронтальное сопоставление полученных результатов с эталонными значениями закрытой рубрики (.rubrika.md). Разбирает ошибки: отождествление частоты со скоростью, непонимание природы Load-Use hazard, игнорирование предела Амдала. Сверяют расчетные данные, комментируют расхождения, корректируют свои формулировки в рабочем листе.
87–90 мин (3 мин) Подведение итогов, рефлексия и инструктаж Подводит содержательные итоги урока. Поясняет порядок сохранения/печати рабочего листа (PDF) и регламент резервного дистанционного домашнего задания (выполняется строго по индивидуальному назначению преподавателя). Сохраняют финальное состояние листа, готовят файлы к проверке, задают заключительные вопросы.

3. Поминутный план и хронокарта занятия (Сокращенный регламент: 60 минут)

Время Этап занятия Деятельность преподавателя Деятельность студентов
00–03 мин (3 мин) Организационный ввод Быстрое приветствие, актуализация через формулу производительности Время = N × CPI × T_clk. Подготовка к занятию, открытие материалов.
03–20 мин (17 мин) Экспресс-теория: Конвейер, Out-of-Order и Ветвления Концентрированное изложение: 5 стадий конвейера, RAW-конфликт и байпассинг, снятие ложных зависимостей через RAT/ROB, плата за сброс конвейера при неверном ветвлении. Конспектирование схем конвейера и основных блоков OoO-ядра.
20–35 мин (15 мин) Экспресс-теория: SIMD, закон Амдала и предел Деннарда Векторные регистры AVX (до 512 бит), понятие FMA. Физический тупик гонки частот (Power Wall) и закон Джина Амдала. Графическая интерпретация пределов ускорения. Запись формулы закона Амдала, сопоставление разрядности SSE/AVX.
35–52 мин (17 мин) Интенсивный практикум Контроль самостоятельного заполнения расчетных таблиц в zanyatie.html по назначенным вариантам. Концентрированное выполнение расчетов и заполнение полей рабочего листа.
52–57 мин (5 мин) Экспресс-сверка результатов Озвучивание ключевых чисел: задержка RAW (10 vs 8 тактов), пределы Амдала (4x, 10x, 20x), CPI 1.076 при TAGE, 256 GFLOPS на ядро AVX-512. Самоконтроль и устранение грубых вычислительных ошибок.
57–60 мин (3 мин) Итоги и сохранение Инструктаж по сохранению рабочего листа и условиям сдачи резервного задания. Сохранение данных в localStorage.

4. Контрольно-диагностические материалы