《高等计算机系统结构》课程思政教学设计案例

一、基本信息

项目名称：高等计算机系统结构

所属专业：计算机科学与技术电子信息

课程类别：专业课程

二、教学案例设计思路

大数据时代离不开高性能计算。计算机系统结构集微处理器结构、软件架构、编程模式于一体，探讨软硬技术结合实现高性能计算的机制。课程的目标是培养学生高性能、高扩展和高效率计算系统的量化分析与设计能力。该课程的重要性主要体现在：

（1）计算类专业人员掌握现代计算机系统内部机理，了解当代计算体系前沿的设计、分析、集成和评价技术；

（2）计算机系统研发与应用场景结合，完善计算机高级专业人才的知识体系和专业技能，有利于研发符合“高性能、高扩展和高效率”要求的应用系统；

（3）有利于提高计算机专业人员的抽象能力，拓展思维，实现系统应用和模式的创新。

三、教学目标

1.知识目标

（1）掌握计算机体系结构的定义，性能、功耗度量，能够区分性能度量中的延迟与吞吐率、功耗与主频的非线性关系，具备初步分析和解决问题的能力。

（2）掌握并行性的相关理论、技术以及健全的评价体系，理解程序中的依赖性，掌握单机系统指令级并行、线程级并行、数据级并行的模型与应用，掌握多机并行性相关的计算机系统结构及其性能优化。

（3）掌握安全性和测量的基础知识与支撑技术，掌握支持虚拟化的硬件体系结构、安全增强指令、硬件计数器与性能测量。

（4）了解领域专用体系结构、集群并行高性能计算机系统、大规模存储系统和数据中心体系结构的模型、应用及其发展趋势，掌握量化分析方法，提升学生对计算机系统性能的深刻理解。

1.2.2 能力目标

（1）获取知识的能力：建立系统思维，学会从计算机系统的系统思维出发，掌握并行性从单机到多机计算模型实现的机理、应用与性能评价方法，坚持文献阅读，运用科学的学习方法，不断地扩展知识面，增强独立思考的能力，不断更新知识结构。

（2）应用知识的能力：培养学生辩证思维，学会从总体结构和系统分析的角度深入理解计算机系统，掌握计算机系统的各种优化设计及量化评价方法；能够理解计算机系统与系统软件的交互关系；能够面向不同需求，对计算机系统的各个优化目标进行统筹折中，提升自上而下地分析和解决计算机系统相关问题的能力。

（3）创新能力：通过课外阅读和交叉知识讨论等模式，提升自主学习和终身学习的意识，提升学生研发符合“高性能、高扩展和高效率”计算的能力，在并行计算实际应用中体现创新意识。

2.思想政治教育目标

1.1 本课程的思政要素

始于2015年中兴的芯片断供,华为硬件支撑全线被禁，进而狼烟四起的中美贸易战，直击的是我国“缺芯”的软肋和自主计算生态的缺失。在这场没有硝烟的反围剿战役中，中国人通过自食其力、自立自强的实干，拥有了自主研发的芯片，在计算生态取得了自主研发的关键基础软件、操作系统、数据库、大型工业软件、行业应用软件、新兴平台软件、嵌入式软件七大领域的突破。一部反贸易战的科技技术发展史，是一部社会主义核心价值观与民族文化相融合的中国故事集，充分展现了中国政府与人民的精神志气。研究生的科研思政要素就是本课程思政要素的核心，融合研究生应该掌握的知识、具备的能力主要体现在三个方面：

（1）自立自强的科技自信，以国产化微处理器技术和开源技术为主线探讨高性能计算的实现机理，深入理解计算系统的计算生态技术体系。

（2）博大精深的文化自信，发扬中华民族自强不息的优良传统，积极践行社会主义核心价值观，以我国自主研发的计算生态技术聚焦行业互联网战略的应用场景，深入理解对计算机系统的各个优化目标进行统筹折中，提升解决计算机系统实际问题的能力。

（3）提升原始性的创新自信，基于国产自主研发的泛终端系统，开发框架、编程语言、编译器、编程工具等技术领域，探索在通用计算、人工智能、5G通讯、物联网、图像处理、个人终端等方面的创新应用。

1.2 “课程思政”教学目标

本课程以并行性不同层次的实现为线索展开教学，涉及单机内部的指令级并行性、线程级并行性和数据级并行性所对应的计算机系统结构和相关软件技术、安全性和性能测量的支撑技术，以及领域专用的系统结构等；多机并行性相关的计算机系统结构，多机并行高性能计算系统、互连网络和大规模存储系统的关键支撑技术、数据中心体系结构等。通过本课程的学习，研究生应该掌握的知识、具备的能力主要体现在三个方面：

（1）学会从总体结构和系统分析的角度深入理解计算机系统，掌握计算机系统相关的基础知识、优化设计与量化评价方法、科研方法。

（2）能够理解计算机系统与系统软件的交互关系，学会从外部研究计算机系统，培养系统思维和辩证思维能力。

（3）能够面向不同需求，对计算机系统的各个优化目标进行统筹折中，提升解决计算机系统实际问题的能力。

四、教学方法

讲授和讨论

五、教学重点

本课程主要面向的是从事计算机系统设计与优化的科研人员，需要深入理解与掌握计算机系统设计与优化方法；面向的是从事操作系统、编译系统等系统软件设计与开发的科研人员，需要具有深入理解计算机系统的能力；面向的是从事算法设计与应用的人员，需要深刻理解计算机系统，才能写出速度更快、精度更高的应用程序。结合我校海量级计算对高性能计算技术应用场景的需求，“高、新、尖”研究对计算能力的需求，充分挖掘计算机系统并行线索贯穿知识点，突出系统性特点。

教学目标一：以应用级别（数据级DLP、任务级TLP）并行计算为主线，揭示现代计算机数据密集型、存储密集型和IO密集型计算的计算平台：PMD+WCS、多核和GPU的体系结构原理与量化设计方法，使学生掌握现代高性能计算系统定量设计思想、设计原理、设计与评价的方法与技术，掌握处理器动态流水线设计技术、指令级并行性开发技术、多处理器计算机设计技术，能够分析、设计计算机的相关功能部件及处理器，培养具有扎实系统观的高级软硬件设计与开发技能。

教学目标二：以主流并行计算的计算生态系统为主线，揭示实现高性能计算、并行计算和分布式计算平台的原理，提升学生研发高性能应用的能力。