Методическое руководство для преподавателя: Занятие 20 «Итоговая работа»

Дисциплина: «ОП.02 Архитектура аппаратных средств» (СИЭУиП). Практическое занятие №20 завершает курс и представляет собой сквозное проектное занятие по системному обоснованию аппаратной архитектуры ЭВМ и диагностике скрытых дефектов под 4 профиля вычислительных платформ.

1. Дидактические цели и педагогическая специфика

Финальное занятие курса «Архитектура аппаратных средств» направлено не на изолированную проверку терминов, а на формирование целостного инженерно-системного мышления. Обучающийся должен продемонстрировать умение видеть ЭВМ как единый сбалансированный комплекс, где вычислительная мощность ЦП согласована с пропускной способностью памяти, топологией шин PCIe/DMI, энергетическим бюджетом ATX и теплоотводом.

Планируемый образовательный результат: комплексно обосновывает архитектуру и исправляет ошибку выбора узлов.

Оценивание проводится по 10-балльной матрице (6 баллов за математически точное обоснование подсистем, 2 балла за выявление и устранение ошибки, 2 балла за аудит самопроверки). Сдача практического продукта организуется непосредственно после пары (экспорт бланка в PDF).

2. Критериальная матрица и шкала оценивания (10 баллов)

Блок задания Макс. балл Показатели достижения результата
Блок 1. Расчет ЦП и памяти 2 балла Точный расчет $R_{peak}$ с учетом FMA (2 операции за такт) и векторных инструкций; расчет пропускной способности памяти $BW_{RAM}$ по всем каналам сокетов; обоснование B/F ratio.
Блок 2. Распределение линий PCIe 2 балла Баланс процессорных линий PCIe (Gen 4/5); отсутствие переподписки межчипсетного линка (DMI); правильная коммутация видеокарт, NVMe и высокоскоростных сетевых карт.
Блок 3. Подсистема питания ATX 2 балла Расчет долговременной и пиковой мощности (Power Excursions по стандарту ATX 3.0); расчет тока по шине +12V; коэффициент запаса БП $\ge 1.3$; обоснование охлаждения.
Блок 4. Диагностика ошибки 2 балла Локализация скрытой аппаратной несовместимости/дефекта в конфигурации; физико-техническое обоснование сбоя и расчетное решение «до / после».
Блок 5. Самопроверка и аудит 2 балла Аргументированное заполнение чек-листа валидации платформы; комплексный экспертный вывод о готовности системы к промышленной эксплуатации.
ИТОГОВЫЙ БАЛЛ 10 баллов 9–10 б. = «5» (отлично); 7–8 б. = «4» (хорошо); 5–6 б. = «3» (удовл.); 0–4 б. = «2».

3. Разбор типичных ошибок обучающихся при выполнении работы

3.1. Ошибки при расчете пиковой производительности ($R_{peak}$)

Дефект: Студенты рассчитывают пиковую мощность по формуле $N_{cores} \times f_{Turbo} \times 16$, забывая умножить на 2 для FMA (Fused Multiply-Add).
Пояснение преподавателя: Операция FMA вычисляет выражение $(A \times B) + C$ за один такт. Векторный блок AVX-512 шириной 512 бит содержит 8 чисел FP64 (двойная точность) или 16 чисел FP32. При наличии 2 блоков FMA за такт выполняется $8 \times 2 \times 2 = 32$ операции FLOP на ядро. Забытый множитель занижает $R_{peak}$ ровно в 2 раза!

3.2. Ошибки в топологии шин ввода-вывода (PCIe / DMI)

Дефект: Студенты подключают сетевые карты 100/400 GbE или массивы NVMe в слоты, подключенные к чипсету, полагая, что «раз слот физически x16, значит скорость максимальная».
Пояснение преподавателя: Физический слот x16 на плате может быть электрически подключен 4 линиями PCIe к чипсету. Более того, вся совокупность чипсетных слотов разделяет между собой единый узкий линк с процессором (DMI 4.0 x8 с ПСП 15.75 ГБ/с). Сетевая карта 100 GbE требует 12.5 ГБ/с, а 400 GbE — 50 ГБ/с, что моментально парализует чипсетную шину.

3.3. Ошибки подсистемы питания ATX 3.0

Дефект: Выбор мощности блока питания строго по сумме паспортного TDP компонентов без учета импульсных бросков тока (Power Excursions).
Пояснение преподавателя: Современные ускорители на микросекундных интервалах могут потреблять в 2–2.5 раза больше номинального TDP. Блоки питания старых ревизий ATX 2.3/2.4 отключаются по защите OCP. Для надежной работы требуется БП стандарта ATX 3.0 / PCIe 5.0 с коэффициентом запаса 1.3–1.5 по шине +12V.

4. Организационные рекомендации для регламентов 80 и 60 минут

Примечание: В обоих регламентах оцениваемая практическая работа выполняется обучающимися очно в аудитории. Резервное домашнее задание domashnee_zadanie.html назначается исключительно тем, кто отсутствовал на занятии или получил отметку «неудовлетворительно».