Дифференцированный зачет

Порядок аттестации

• 00–05 мин: Инструктаж, выбор вариантов проекта.
• 05–75 мин (70 мин): Комплексная самостоятельная работа.
• 75–85 мин (10 мин): Прием и верификация работ.
• 85–90 мин (5 мин): Подведение итогов, оглашение отметок.

Три составляющие зачета

• Системный дизайн: выбор архитектуры и расчет шин.
• Физическая совместимость: память, питание, охлаждение.
• Инженерная диагностика: локализация скрытых аппаратных сбоев.

Архитектурное обоснование

Выбор CPU/SoC, топология шин PCIe/NVLink/CXL, адресация и балансировка NUMA, учет законов Амдала и предела Деннарда.

Инженерные расчеты

Пропускная способность памяти (DDR5/HBM) и шин (PCIe 5.0 128b/130b), расчет мощности, токов питания и надежности MTBF.

Аудит дефектов

Локализация скрытой аппаратной неисправности (VRM, броски токов, земляные петли), физическое обоснование и план устранения.

От кремния до конвейера

• Полупроводники: логические вентили, АЛУ, триггеры памяти.
• Принципы фон Неймана: единая память vs Гарвардская шина.
• Микропроцессоры: конвейер, Out-of-Order, предсказание переходов.

Шины, память и периферия

• Иерархия памяти: L1–L3 SRAM, DRAM DDR5, пулы NVMe.
• Интерконнект: PCIe 5.0, CXL, NUMA, оптические каналы.
• Интерфейсы: Thunderbolt 4, InfiniBand, RS-485, CAN.

Математическая формулировка

Где P — доля параллельного кода, N — число ядер.

Если последовательная часть $1 - P = 5\%$, даже при бесконечном $N$ ускорение системы не превысит 20x.

Практический вывод архитектора

• Нельзя решить проблему задержки простым добавлением ядер.
• Узкие места синхронизации и блокировки мьютексов обесценивают кластер.
• Балансировка вычислений требует минимизации интерконнект-оверхеда.

Кризис масштабирования мощности

До 2005 г. уменьшение транзистора позволяло снижать напряжение $V$. Сегодня порог ~0.7 В уперся в квантовые токи утечки $I_{leak}$.

Результат: плато тактовых частот (3.5–5.5 ГГц) и барьер рассеивания тепла.

Феномен Dark Silicon

• Современный чип не может включить 100% транзисторов на полной частоте без саморазрушения.
• Переход к гетерогенным блокам: NPU, DSP, видеоэнкодеры, энергоэффективные ядра.
• Жесткие ограничения лимитов мощности PL1/PL2/EDC.

Разрыв скорости CPU и DRAM

Скорость АЛУ росла на ~50% в год, а задержка доступа к DRAM сокращалась лишь на ~7% в год. Доступ к RAM требует 150–250 процессорных тактов простоя.

Конвейер современного CPU 70% времени простаивает на промахах кэша (Cache Misses).

Архитектурные решения

• Иерархия кэшей: интеграция 3D V-Cache (L3 до 256 МБ+).
• Многоканальность: 12 каналов DDR5 на сокет (серверы).
• Стек HBM3/HBM3e: шина 1024 бит, ПСП до 4.8 ТБ/с на чип.

TCO = CapEx + OpEx

• CapEx: затраты на покупку процессоров, шасси, памяти, сетевых плат.
• OpEx: затраты на электроэнергию (кВт*ч), охлаждение ЦОД (PUE), аренду и регламентную замену узлов.

Серверная стойка 30 кВт

За 3 года непрерывной эксплуатации стойка AI-серверов мощностью 30 кВт в дата-центре с коэффициентом PUE 1.3 потребляет электроэнергии на сумму, превышающую стоимость серверного оборудования!

Ключевая метрика: Производительность на Ватт (Perf / Watt).

Пропускная способность DDR5

Для 2-сокетного сервера (24 канала DDR5-4800):

С учетом КПД шины (~85%): ~783 ГБ/с чистой полосы.

Пропускная способность PCIe 5.0

Слот PCIe 5.0 x16 обеспечивает ~63.0 ГБ/с в одном направлении (дуплекс 126 ГБ/с).

Кодирование 128b/130b снижает накладные расходы до 1.54% (против 20% в PCIe 2.0 8b/10b).

2x CPU EPYC / Xeon + 24ch DDR5

• Топология: 2 сокета, 192 ядра, 24 канала DDR5 ECC (1.5 ТБ).
• Диски: 8x U.2 NVMe PCIe 5.0 x4 (до 12 млн IOPS).
• NUMA-балансировка: разделение адаптеров сети 100GbE и пулов NVMe по процессорным узлам.

Аэродинамическая тень VRM

Симптом: Спонтанный ребут под 100% нагрузкой СУБД при температуре CPU 68°C.

Причина: Радиаторы VRM в тени высоких радиаторов CPU, перегрев ключей DrMOS выше 115°C (OTP).

Решение: Установка дефлекторов (Air Shrouds), оптимизация кривой вентиляторов BMC.

4x GPU H100 + NVSwitch + IB 400G

• Интерконнект ускорителей: шина NVLink 4 (900 ГБ/с на GPU для AllReduce).
• Интерфейс узлов: InfiniBand NDR 400G (50 ГБ/с) + GPUDirect RDMA.
• Энергетика стойки: 8 узлов по 3.4 кВт = 27.5 кВт на стойку (DLC охлаждение).

Импульсные броски dI/dt

Симптом: Аварийное отключение БП при переходе от прямого к обратному проходу модели.

Причина: Микросекундный бросок мощности ускорителей до 3400 Вт, срабатывание защиты OCP в схеме БП 1+1.

Решение: Режим распределения токов 2+0, БП с transient tolerance 140%.

x86 PRO + LPDDR5X ECC + RTX Ada

• Надежность расчетов: аппаратная память ECC для исключения сбоев САПР/CFD.
• Шина Thunderbolt 4: 40 Гбит/с (туннель PCIe 32 Гбит/с + 2x 4K@60Hz).
• Автономность: батарея 99.9 Вт*ч (36 мин при 150W TDP, 1.3 ч при лимите 70W).

Троттлинг датчика BD PROCHOT

Симптом: Сброс частоты CPU до 800 МГц при температуре кристаллов 72°C.

Причина: Перегрев фаз питания GPU (125°C) из-за некондиционной толстой термопрокладки (1.5 мм вместо 0.5 мм).

Решение: Замена термоинтерфейса, калибровка карты триггеров датчиков платы.

SoC i.MX8 + In-Line ECC + Fanless IP67

• Гетерогенность: 4x Cortex-A53 (Linux) + Cortex-M7 (FreeRTOS 800 МГц) + NPU.
• Накопитель: eMMC pSLC (до 60 000 циклов записи, устойчивость к сбоям).
• Надежность: MTBF > 1.5 млн часов (>175 лет) за счет безвентиляторного шасси.

Земляная петля и выгорание RS-485

Симптом: Выгорание портов RS-485 и Kernel Panic при пуске высоковольтного двигателя.

Причина: Экран кабеля заземлен с двух сторон; дешевые изоляторы без изолированного DC-DC питания.

Решение: Заземление строго в 1 точке, микросхемы с изоляцией до 3 кВ (ADuM5401), TVS-супрессоры.

Заполнение формы zanyatie.html

• Укажите реальные ФИО и группу в чистых полях ввода.
• Выберите свой вариант проекта из выпадающего списка.
• Заполните все три раздела: обоснование, расчеты, аудит дефекта.
• Нажимайте «Сохранить черновик» для сохранения в localStorage.

Прием работы преподавателем

• Проверка числовых расчетов и размерностей.
• Устный блиц-вопрос по первопричине дефекта (1 мин).
• Суммирование баллов (макс. 10) и выставление академической оценки.