Методическое руководство для преподавателя: Архитектуры вычислительных систем и оценка производительности

Руководство по организации учебной деятельности на занятии 18 дисциплины «ОП.02 Архитектура аппаратных средств». Содержит разбор дидактических задач, методику ведения интерактивного практикума, анализ типичных ошибок студентов и критерии оценивания по 4-балльной матрице.

1. Дидактические цели и предметная специфика занятия

Занятие 18 объединяет фундаментальную систематизацию архитектур вычислительных систем (таксономия Флинна, организация памяти SMP/UMA vs NUMA vs кластеры) и количественную оценку быстродействия (метрики MIPS, FLOPS, тест Linpack, законы Амдала и Густафсона-Барсиса). Одновременно занятие служит первой частью подготовки к итоговому контролю курса (подготовка 1/2).

Планируемый образовательный результат: Обучающийся классифицирует вычислительную систему и повторяет логические блоки курса.
Оценочный продукт: Индивидуальный кейс классификации плюс тренировочная расчетная задача (4-балльная шкала: корректность — 2 б., объяснение — 1 б., проверка — 1 б.; сдача до следующей пары).
Инструментарий: Интерактивный бланк zanyatie.html с автосохранением в браузере, генерацией печатной версии/PDF и дифференцированными кейсами по 4 вариантам.

2. Типичные когнитивные и расчетные ошибки обучающихся

Тематический узел	Характерная ошибка обучающегося	Методический комментарий и коррекция
Таксономия Флинна	Ошибочное отнесение суперскалярного ЦП к классу MIMD или SIMD на основании наличия нескольких АЛУ.	Напомнить, что таксономия Флинна классифицирует системы по логическим программным потокам. Одноядерный суперскалярный CPU выбирает инструкции из одного программного счетчика (PC) над одним потоком данных, поэтому остается в рамках SISD.
Архитектура NUMA	Отождествление NUMA с распределенной памятью кластеров; утверждение, что удаленная память адресуется через сокеты сети.	Разъяснить концепцию ccNUMA (Cache-Coherent NUMA): память физически распределена по сокетам, но логически образует единое общее адресное пространство. Процессор адресует удаленную память обычной инструкцией `MOV`, а маршрутизацию и когерентность берет на себя контроллер шины UPI/Infinity Fabric.
Метрика MIPS	Прямое сопоставление тактовой частоты и MIPS между RISC (ARM) и CISC (x86) процессорами.	Показать, что инструкция CISC выполняет комплексную работу (сложение с операндом из памяти), эквивалентную нескольким инструкциям RISC. Высокий MIPS в RISC не означает автоматического преимущества в скорости выполнения прикладной задачи.
Закон Амдала	Попытка деления времени на $n$ целиком; игнорирование того, что доля $s$ не ускоряется: $S = n$ или $S = 1 / (1 - s)$.	Акцентировать внимание на базовой формуле: $T(n) = s + \frac{1 - s}{n}$. При $n \to \infty$ слагаемое параллельной части стремится к нулю, и предел ускорения равен строго $\frac{1}{s}$.
Закон Густафсона-Барсиса	Путаница между фиксированным объемом задачи (Strong Scaling) и масштабируемым объемом (Weak Scaling).	Разъяснить на аналогии: по Амдалу мы строим один и тот же дом силами 100 строителей (узкое место — фундамент). По Густафсону с добавлением рабочих мы строим целый жилой микрорайон за то же самое время.

3. Критерии оценивания по 4-балльной матрице

2 балла Корректность: Безошибочно заполнена матрица таксономии Флинна; верно рассчитаны теоретическая пиковая производительность $R_{peak}$ и эффективность теста Linpack для CPU и GPU; безошибочно выполнены расчеты ускорения по закону Амдала и Густафсона во всех строках задания 3.
1 балл Объяснение: Дано аргументированное и физически выверенное объяснение архитектурных различий UMA и NUMA (фактор NUMA ratio, межсокетовые задержки); раскрыта причина критики метрики MIPS; сформулирована суть различий Strong Scaling и Weak Scaling.
1 балл Проверка кейса: В расчетно-аналитическом кейсе по своему варианту верно классифицирована архитектура вычислителя, пошагово рассчитаны ускорение и эффективность параллелизации, выявлены доминирующие аппаратные узкие места (интерконнект, блокировки, когерентность) и предложены профессиональные инженерные рекомендации.

Шкала перевода в академическую отметку:
4 балла — «отлично» (5); 3 балла — «хорошо» (4); 2 балла — «удовлетворительно» (3); 0–1 балл — «неудовлетворительно» (2, выдается резервное задание domashnee_zadanie.html).

4. Регламент проведения занятия (80 и 60 минут)

Оцениваемый практический продукт выполняется очно в аудитории в обоих сценариях:

Регламент 80 минут (основной):
— Вводный этап и мотивация: 5 мин.
— Изложение нового материала и фундаментальный конспект: 25 мин.
— Демонстрационный показ решения типовых расчетов ($R_{peak}$, Амдал): 10 мин.
— Самостоятельное решение кейсов в zanyatie.html: 25 мин.
— Контроль, фронтальный разбор ошибок и обратная связь: 10 мин.
— Итог занятия и инструктаж по сохранению PDF: 5 мин.
Регламент 60 минут (сокращенный):
— Вводный этап: 5 мин.
— Изложение нового материала (концентрация на NUMA, SIMD, Амдале): 18 мин.
— Демонстрационный показ: 7 мин.
— Очное выполнение заданий 1–4 в zanyatie.html: 20 мин.
— Контроль и разбор типичных ошибок: 7 мин.
— Итог занятия: 3 мин.