Технологическая карта занятия: Энергонезависимая память. Иерархия памяти

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 Энергонезависимая память. Иерархия памяти
Дидактическая цель Формирование у обучающихся систематизированных знаний о многоуровневой иерархии запоминающих устройств ЭВМ, физических компромиссах «скорость – стоимость – энергозависимость», математических закономерностях эффективного времени доступа и принципах работы энергонезависимой памяти (NAND Flash, 3D TLC/QLC, Wear Leveling, NVMe).
Задачи занятия Обучающие: изучить ступени пирамиды памяти от регистров до архивов; освоить принципы пространственной и временной локальности данных; раскрыть организацию кэш-линий, ассоциативность и политики записи (Write-Through vs Write-Back); освоить расчет эффективного времени доступа $T_{eff} = H \cdot T_{cache} + (1 - H) \cdot T_{ram}$; изучить физику ячеек NAND (SLC/MLC/TLC/QLC), асимметрию чтения/стирания, алгоритмы Wear Leveling, TBW и протокол NVMe.
Развивающие: развить аналитические навыки сопоставления аппаратных спецификаций памяти и накопителей; сформировать умение выявлять узкие места (Memory-bound, Latency-bound, Storage-bound) и находить оптимальные инженерные компромиссы.
Воспитательные: воспитать профессиональную аккуратность при выполнении инженерных расчетов задержек и объективность в технико-экономической оценке аппаратных конфигураций.
Оценочная точка Индивидуальный продукт: проверочный протокол в zanyatie.html на 4 балла (корректность таблиц пирамиды и расчетов $T_{eff}$ — до 2 б., объяснение физических компромиссов и принципов локальности — 1 б., верификация и обоснование подсистемы памяти под вариант профиля — 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 (zanyatie.html, lekciya.html, prezentaciya.html, domashnee_zadanie.html).

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 парадокса задержек памяти Приветствует студентов, отмечает посещаемость. Ставит проблемный вопрос: сколько тактов процессора уходит на чтение из ОЗУ и почему память не делают целиком из сверхоперативных регистров. Объявляет тему и задачи занятия. Включаются в диалог, высказывают предположения о соотношении скоростей ЦП и памяти. Осознают инженерное противоречие между скоростью, ценой и емкостью. Записывают тему в тетради. Устные ответы на проблемные вводные вопросы.
2. Сообщение новых знаний и показ
40 мин (25+15) / 28 мин (18+10)
Формирование системы понятий об иерархии памяти, локальности, кэшировании, NAND Flash и NVMe Демонстрирует презентацию (слайды 2–13). Объясняет ступени пирамиды памяти, временную и пространственную локальность (кэш-линия 64 Б). Разбирает ассоциативность и политики записи (Write-Through / Write-Back). Демонстрирует формулу $T_{eff}$. Раскрывает физику NAND Flash (плавающий затвор, CTF, ячейки SLC/MLC/TLC/QLC, 3D NAND, блочное стирание, сборку мусора, TRIM, Wear Leveling) и архитектуру NVMe PCIe против SATA AHCI. Конспектируют уровни пирамиды, формулу эффективного времени доступа и параметры ячеек NAND. Анализируют демонстрационный расчет $T_{eff}$ и кейс спада скорости SLC-кэша. Задают уточняющие вопросы по различиям протоколов NVMe и SATA. Фронтальный опрос, проверка понимания формулы $T_{eff}$ и разницы между страницей чтения и блоком стирания NAND.
3. Закрепление знаний (Практикум)
20 мин / 15 мин
Формирование устойчивых практических умений расчета задержек памяти и инженерного выбора подсистемы Организует очную самостоятельную работу в интерактивном бланке zanyatie.html. Инструктирует по критериям (2 б. корректность, 1 б. объяснение, 1 б. профиль). Контролирует ход работы, оказывает индивидуальные консультации. Индивидуально выполняют практические задания в zanyatie.html: заполняют таблицу параметров пирамиды памяти, производят расчет $T_{eff}$ для 4 значений Hit Rate, анализируют типы ячеек NAND и составляют инженерное обоснование подсистемы памяти для выбранного архитектурного профиля. Оперативный контроль промежуточных результатов заполнения интерактивных форм в браузерах обучающихся.
4. Итог занятия и ДЗ
15 мин (10+5) / 12 мин (7+5)
Анализ типичных ошибок, подведение итогов, фиксация оценок, инструктаж по резервному заданию Проводит разбор характерных ошибок (арифметика штрафа за промах в $T_{eff}$, путаница SLC и QLC, ошибки выбора памяти для In-Memory СУБД). Оценивает работы по 4-балльной матрице. Разъясняет назначение резервного файла domashnee_zadanie.html. Участвуют в коллективном разборе типичных дефектов. Экспортируют заполненный протокол в PDF. Фиксируют оценки и требования к отработке пропущенных занятий. Выставление оценок по 4-балльной матрице за очный проверочный протокол занятия.

3. Обеспечение очного выполнения в регламентах 80 и 60 минут