Технологическая карта занятия: Законы Мура. Основные характеристики процессоров

Сценарий и дидактическая структура учебного занятия. Хронометраж: базовый регламент (80 минут) и сокращённый регламент (60 минут). Очное выполнение оцениваемых заданий предусмотрено в обоих сценариях.

1. Паспорт учебного занятия

Тема занятия Законы Мура. Основные характеристики процессоров
Дидактическая цель Формирование у обучающихся систематизированных знаний о физических и микроархитектурных основах функционирования процессоров, законе Мура, масштабировании Деннарда, «тепловой стене», разоблачении «мегагерцевого мифа» и границах многоядерности по закону Амдала.
Задачи занятия Обучающие: изучить закон Мура и правило Деннарда; раскрыть физику «тепловой стены» (токи утечки, квантовое туннелирование); освоить характеристики ЦП (частота, IPC, конвейеризация, суперскалярность, кэш L1–L3, TDP, PL1/PL2); освоить расчет ускорения по закону Амдала.
Развивающие: развить умение критически анализировать технические спецификации микропроцессоров; сформировать навык выявления узких мест вычислительных систем (Compute-bound, Memory-bound, Cache-bound).
Воспитательные: воспитать профессиональную аккуратность при составлении инженерно-технических заключений и объективность в оценке аппаратных платформ.
Оценочная точка Индивидуальный продукт: проверочный протокол в zanyatie.html на 4 балла (корректность таблиц и расчетов 2 б., объяснение физических барьеров и мегагерцевого мифа 1 б., верификация варианта нагрузки 1 б.). Оцениваемые задания выполняются очно как в 80-минутном, так и в 60-минутном регламенте.
Оборудование ПК преподавателя, мультимедийный проектор, экран, персональные компьютеры обучающихся с веб-браузером, локальный методический веб-комплект файлов.

2. Поэтапный сценарий учебного занятия (80 минут / 60 минут)

Этап и время (80 / 60 мин) Дидактическая задача Деятельность преподавателя Деятельность обучающихся Контроль и фиксация результата
1. Вводный этап
5 мин / 5 мин
Организация внимания, мотивация, постановка проблемы Приветствует студентов, формулирует парадокс: почему процессор 2.4 ГГц в 2006 г. опередил чип 3.8 ГГц, и почему частоты не растут выше 4–5 ГГц. Объявляет тему и задачи. Включаются в диалог, высказывают гипотезы о роли ядер, конвейера и кэша. Осмысливают проблему ограничений частоты. Записывают тему в тетради. Устные ответы на проблемные вводные вопросы.
2. Изложение нового материала
25 мин / 18 мин
Формирование понятийной базы: закон Мура, Деннард, Power Wall, Амдал, характеристики ЦП Объясняет экономическую суть закона Мура; формулирует масштабирование Деннарда ($P_{dyn} = C \cdot V^2 \cdot f$); раскрывает физику «тепловой стены» (токи утечки); разбирает закон Амдала и микроархитектурные параметры (IPC, конвейер, суперскалярность, кэш L1–L3, TDP). Конспектируют определения и формулы, анализируют слайды презентации (слайды 1–12), сопоставляют уровни кэш-памяти и задержки обращения к ОЗУ. Фронтальные проверочные микровопросы по ходу изложения.
3. Демонстрационный показ и кейс-разбор
15 мин / 10 мин
Практическая демонстрация расчета по закону Амдала и разоблачение «мегагерцевого мифа» Демонстрирует математическое доказательство превосходства Core 2 Duo над Pentium 4 ($I / (IPC \times f)$); проводит демонстрационный расчет предела ускорения по закону Амдала при $p = 0.80$ и $N \to \infty$. Разбирает архитектуру 3D V-Cache против гибридных P/E ядер. Следят за расчетом, анализируют график асимптотического предела Амдала, фиксируют различие между Compute-bound и Cache-bound задачами. Устный разбор контрольного кейса со слайда 14.
4. Самостоятельная практическая работа
20 мин / 15 мин
Формирование умения сравнительного анализа CPU и расчета ускорения системы Организует очную самостоятельную работу студентов в интерактивном бланке zanyatie.html. Инструктирует по 4-балльной матрице (2 б. корректность, 1 б. объяснение, 1 б. проверка варианта). Консультирует обучающихся при расчетах и выборе архитектуры. Индивидуально выполняют очные задания в zanyatie.html: заполняют сравнительную таблицу характеристик 4 CPU, рассчитывают ускорение по закону Амдала, аргументируют выбор процессора по своему варианту нагрузки. Промежуточный контроль заполнения электронных форм в браузере.
5. Обратная связь и разбор ошибок
10 мин / 7 мин
Выявление и нейтрализация типичных заблуждений Разбирает типичные ошибки: путаницу закона Мура с частотой, ошибки в долях закона Амдала, поверхностную оценку TDP (PL1 vs PL2), игнорирование влияния кэша 3D V-Cache на время кадра. Сверяют свои выводы с комментариями преподавателя, вносят уточнения в протоколы, формулируют уточняющие вопросы. Фронтальное обсуждение архитектурных выводов по вариантам.
6. Итог занятия и рефлексия
5 мин / 5 мин
Подведение итогов, фиксация образовательного результата, инструктаж по резервному заданию Оценивает работу учебной группы, выставляет отметки по 4-балльной шкале за очный протокол в zanyatie.html. Разъясняет статус резервного задания domashnee_zadanie.html для пропустивших пару студентов. Экспортируют заполненный протокол в PDF. Фиксируют достигнутый результат. Осмысливают границы интерпретации характеристик ЦП. Итоговая отметка в журнале по 4-балльной шкале.

3. Особенности адаптации под 60-минутный регламент

При сокращении времени занятия до 60 минут структура образовательного процесса сохраняет очное выполнение всех оцениваемых заданий: