課程思政案例《計算機硬件基礎》

課程思政案例：計算機硬件根底一、課程簡介計算機硬件根底〔ComputerHardwareFoundation〕是數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)的學生必須掌握的計算機專業(yè)根底課。主要介紹計算機組成與設計的根本原理，硬件和軟件在多個層次上的相互關系。學生通過學習該課程可以理解硬件的根本原理，學習軟硬件交互與協(xié)同技術,理解如何才能編寫出專門針對大數(shù)據(jù)計算的高效程序。開設該課程可以為后續(xù)的大數(shù)據(jù)專業(yè)課打下堅實的根底。在講授硬件根底知識的同時，本課程在思政育人方面的定位是培養(yǎng)學生的愛國情懷、敬業(yè)精神、職業(yè)素養(yǎng)、工匠精神、努力學習的民族使命感和科技興國的抱負。二、課程內(nèi)容章節(jié)第4.1節(jié)CPU數(shù)據(jù)通路概述知識點思政要點相關案例MIPS指令與硬件的聯(lián)系敢于探究的勇氣案例1.中芯國際的芯片制程工藝CPU實現(xiàn)MIPS的數(shù)據(jù)通路一絲不茍的職業(yè)素養(yǎng)案例1.中芯國際的芯片制程工藝專業(yè)與專注的工程師品格CPU數(shù)據(jù)通路的硬件實現(xiàn)團隊精神的形成過程案例1.中芯國際的芯片制程工藝案例2.華為芯片斷供學習高端核心技術的熱情CPU的設計與計算機性能的關系去除表象的思辨邏輯案例1.中芯國際的芯片制程工藝形成去偽存真的科學素養(yǎng)與態(tài)度CPU芯片制造的根本流程形成精益求精的工匠精神案例1.中芯國際的芯片制程工藝案例2.華為芯片斷供思考團隊默契協(xié)作的重要性CPU芯片制造的工藝與難點努力學習高精尖的知識與技術案例1.中芯國際的芯片制程工藝案例2.華為芯片斷供為國家的硬件事業(yè)而奮斗的民族自豪感和愛國情懷三、教學組織過程〔一〕第1學時1.MIPS指令與硬件的聯(lián)系思政融入點：啟迪學生形成去除表象的思辨邏輯與科學精神，還有敢于探究的勇氣。引入-提出問題：“MIPS指令如何在CPU上執(zhí)行？CPU如何實現(xiàn)MIPS指令？”；讓學生帶著問題回憶MIPS指令。2.回憶-MIPS的核心子集：存儲器訪問指令：lw,sw；算術/邏輯指令：add,sub,and,or,slt；分支指令：beq,j；舉例-MIPS指令執(zhí)行過程——以加法為例：addrd,rs,rt。3.CPU實現(xiàn)MIPS的數(shù)據(jù)通路思政融入點：引導學生形成去偽存真的科學素養(yǎng)與態(tài)度，同時培養(yǎng)其一絲不茍的職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)專注的工程師品格。概括——從MIPS加法指令中概括出指令的執(zhí)行流程，以圖示的數(shù)據(jù)通路進行解釋；介紹——參加控制信號的數(shù)據(jù)通路〔簡單了解〕；思考——數(shù)據(jù)通路部件可以分為哪些類別？講解——數(shù)據(jù)通路的構成：“操作元件(亦稱為組合邏輯元件)”和“存儲元件(亦稱為狀態(tài)元件)”；擴展——以圖為例進行延伸；總結(jié)——數(shù)據(jù)通路是由操作元件和存儲元件通過總線方式或分散方式連接而成的進行數(shù)據(jù)存儲、處理、傳送的路徑?！捕车?學時1.CPU數(shù)據(jù)通路的硬件實現(xiàn)思政融入點：激發(fā)學生學習高端核心技術的熱情，引導其形成去偽存真的科學素養(yǎng)與態(tài)度。講解——實現(xiàn)操作元件和存儲元件的兩類芯片；舉例——生產(chǎn)存儲元件的廠家，如長江存儲(國內(nèi)最大的NANDFlash廠)、合肥長鑫(DRAM廠)〔比照全球市場份額〕；討論——CPU的設計與計算機性能的關系：計算機性能(程序執(zhí)行快慢，CPU時間)由三個關鍵因素決定，CPU的設計與實現(xiàn)非常重要！它直接影響著計算機的性能。2.CPU芯片的設計與實現(xiàn)思政融入點：培養(yǎng)學生形成精益求精的工匠精神，啟迪其思考團隊默契協(xié)作的重要性。鼓勵學生努力學習高精尖的知識與技術，為國家的硬件事業(yè)而奮斗的民族自豪感和愛國情懷。介紹：CPU芯片制造的根本流程，芯片設計、晶圓制造、封裝檢測、交付系統(tǒng)廠商〔包括廠商：華為、蘋果〕。分析：芯片制造的工藝與難點：制作設備的本錢。觀看視頻：一臺7nm光刻機的月產(chǎn)量。制作工藝的難度：技術節(jié)點標準。討論：中國芯片開展的現(xiàn)狀。思考：如何提升我國芯片制造的工藝？案例中芯國際的芯片制程工藝；如何在高端制造業(yè)上發(fā)力，進行自主研發(fā)？案例華為芯片斷供。四、教學反思本節(jié)課通過講授數(shù)據(jù)通路的根本概念、構成、指令的執(zhí)行流程，讓學生全方位地了解CPU的設計特點；進而引導學生學習了解芯片制造的難點。在講解與討論的過程中參加了兩個思政案例，一個是中芯國際的芯片制程工藝，另一個是華為芯片斷供。在教學過程中，學生討論積極、對芯片的設計與制造十分感興趣，他們通過討論這兩個案例，加深了對我國芯片業(yè)現(xiàn)狀的理解；從教師的角度看，那么進一步培養(yǎng)學生的敬業(yè)精神、職業(yè)素養(yǎng)和工匠精神、并逐步培養(yǎng)學生科技興國的抱負與實現(xiàn)中國夢的愛國情懷，整體教學取得了良好的效果。五、案例01案例1：中芯國際的芯片制程工藝〔一〕案例簡介在全球芯片代工市場中，絕大局部的芯片代工市場份額都被臺積電、三星所壟斷，因為臺積電、三星擁有最為先進的芯片制造技術，在2020年，臺積電、三星更是會進入到5nm芯片工藝時代，反觀中國大陸地區(qū)最大的芯片代工巨頭—中芯國際，直到2019年年底才正式開始量產(chǎn)14nm芯片，據(jù)透露，目前中芯國際已經(jīng)接下了華為14nm超級芯片大單，同時在近日也正式向華為交出了第一批14nm芯片，更重要的是，中芯國際14nm芯片工藝正式量產(chǎn)，意味著中芯國際所擁有的芯片制造工藝就能夠直接滿足國內(nèi)95%的芯片制造需求，極大的緩解國產(chǎn)芯片在制造領域的困境。除了在14nm芯片工藝上，不斷傳來好消息以外，目前中芯國際也正在研發(fā)全新一代N+1、N+2芯片工藝，根據(jù)中芯國際CEO梁孟松描述：“N+1芯片工藝相較于目前的14nm，不僅僅在性能方面提升了20%，同時在功耗方面也直接降低了57%，邏輯面積直接縮小了63%，晶體管密度更是提升了近1倍。而N2+芯片工藝那么會面向更高性能的芯片，”其中梁孟松也更是重點提到，目前中芯國際N+1、N+2芯片工藝都不會采用EUV工藝，再等到相關EUV光刻機設備就緒后，中芯國際方面會直接將N+2芯片工藝直接轉(zhuǎn)向EUV工藝，進一步提升中芯國際的芯片工藝制造水平?；貞浥_積電在7nm芯片工藝的開展史，就能夠看到，臺積電其實在7nm芯片工藝上共有三次技術迭代，他們分別為：“低功耗的N7、高性能的N7P、使用EUV工藝的N7+”，前兩代的7nm芯片工藝都沒有使用高端EUV光刻機設備，唯獨N7+使用了EUV工藝，所以沒有EUV光刻機設備，中芯國際同樣也能夠進入到7nm芯片工藝時代，但對于7nmEUV芯片工藝那么依舊需要依賴高端EUV光刻機設備。據(jù)悉，中芯國際為了能夠加快芯片工藝研發(fā)以及產(chǎn)能提升，今年中芯國際將會加大研發(fā)支出，用于研發(fā)、建設晶圓廠，投資金額更是高達31億美元〔約人民幣216億元〕，在上?！?0億美元〕、北京〔5億美元〕建設12英寸圓晶廠。資料來源：騰訊新聞〔二〕案例點評適用范圍：本案例主要適用于計算機硬件根底、計算機組成原理等課程。本案例是一個描述中國芯片制造工藝與國際頂級芯片制造工藝之間的差距的案例，其教學目的在于使學生對我國芯片制造的現(xiàn)狀更清晰、準確和透徹地理解，引導學生樹立精益求精，努力學習科學技術提升國家實力的精神。思政元素：新中國很早就意識到了半導體產(chǎn)業(yè)的巨大潛力，投入資源建立了初級的半導體產(chǎn)業(yè)。以光刻機為例，中國1978年開發(fā)5微米制程半自動光刻機，此后，電子工業(yè)部45所、上海光機所、中科院光電所、上海微電子等單位持續(xù)推出多個版本的光刻機。與自身相比，中國芯片產(chǎn)業(yè)并未停滯，2019年生產(chǎn)集成電路2018.2億個，40年來增長上萬倍。然而，由于芯片制造相關的根底科研能力缺乏，制程從微米深入納米后，中國無法跟上世界頂尖企業(yè)的開展步伐，缺少足夠的市場競爭力，差距逐漸拉大。對于目前中國的芯片困境，中國工程院院士鄔賀銓表示：“我國芯片受制于人，其中最大的原因是我們的工業(yè)根底——包括精密制造、精細化工、精密材料等方面的落后?！北景咐ㄟ^比擬中芯國際和臺積電的芯片制造工藝，促使學生了解我國芯片開展的現(xiàn)狀，從而培養(yǎng)其踏踏實實學技術、沉下心來做根底研究的心態(tài)；并使學生意識到只有掌握了核心技術，才能使自己的國家才在關鍵技術上有自主權和話語權。課程思政教學目標：〔1〕通過案例討論，讓學生了解我國芯片開展的現(xiàn)狀，從而培養(yǎng)其形成科學精神、敢于探究的勇氣、一絲不茍的職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)專注的工程師品格?！?〕使學生意識到只有掌握了核心技術，才能使自己的國家才在關鍵技術上有自主權和話語權。相關教學經(jīng)驗：與時事緊密聯(lián)系，充分將專業(yè)知識與實踐結(jié)合，引導學生理論聯(lián)系實際，學會發(fā)散性思維。教師在課堂講授過程中，首先要注意課程知識與思政元素的結(jié)合，防止顧此失彼；其次，在從課程知識過渡到思政元素的過程中，要注意語氣和情緒的自然，要注意照顧學生的聽課情緒，調(diào)動學生積極參與課堂討論；這不僅扎實了課本知識，還深入了解了思政時事，擴充了學生的知識面。最后，通過案例討論，引導學生思考如何提升我國的芯片制造工藝；課堂上，學生更加積極地發(fā)表自己的言論。學生對芯片技術有了更深刻的了解，同時學生的自主學習技術來提升國家實力的感悟也提升了。02案例2：華為芯片斷供(略)〔一〕案例簡介2019年5月16日，美國商務部以國家平安為由，將華為及其70家附屬公司列入管制“實體名單”，禁止美國企業(yè)向華為出售相關技術和產(chǎn)品。封殺令一出，世界嘩然。時隔一年，2020年5月15日，美國商務部發(fā)布公告，嚴格限制華為使用美國技術和軟件在美國境外設計和制造半導體。此次禁令的核心在于，任何使用美國軟件或美國制造設備為華為生產(chǎn)產(chǎn)品的行為都是被禁止的，都需要獲得許可證。美國對華為的封殺升級，同樣挑戰(zhàn)了國際供給鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的底線。批評人士稱，美國此輪制裁不僅是對華為“處以極刑”，更會嚴重擾亂全球芯片市場及相關行業(yè)。芯片設計公司通常利用美國開發(fā)的電子設計自動化工具，而在先進半導體制造廠中，采用結(jié)合美國技術的芯片制造設備更是再普通不過的事情。美國宣布的禁令主要針對華為，但影響遠超過華為本身。2020華為開發(fā)者大會上，華為以這樣的開場白透露出意味深長的信息。在華為消費者業(yè)務軟件部總裁王成錄看來，芯片問題反而給了企業(yè)反思，沒有選擇就是最好的選擇。限制反而讓大家有一個非常好的時機，危、機并存?！袄щy是一定有的，但我更愿意看到它積極的一面，正是因為這樣的限制，我相信中國所有的行業(yè)都該清醒了，我做軟件20多年，有發(fā)自內(nèi)心的感觸。我們不能說中國的高科技行業(yè)不繁榮，因為那么多所謂高科技企業(yè)進入到世界500強，但真正看一下，這樣的‘枝繁葉茂’是非常危險的，瞬間就可以被推倒。為什么？因為我們沒有‘根’。所以從這個角度來看，芯片制裁這種事反而給了中國產(chǎn)業(yè)界去重新構建的一個絕好時機，沒有選擇就是最正確的選擇?！蓖醭射浾f。在芯片層面，華為輪值董事長郭平表示，前端還有芯片制造工藝、制造設備和原材料，是美國約束華為的地方。“對我們來說，會繼續(xù)保持對海思的投資，同時會幫助前端的伙伴完善和建立自己的能力。我相信假設干年后我們會有一個更強大的海思?！睋?jù)日經(jīng)新聞報道，中芯國際正測試非美國設備的生產(chǎn)能力，預計今年底將在完全不使用美國設備的情況下，試產(chǎn)40納米芯片，并方案在3年內(nèi)生產(chǎn)更先進的28納米芯片?！霸?jīng)，我們在很多方面，希望能夠用更省事的方法解決問題，所謂‘造不如買，買不如租’。實踐證明，核心技術是買不來的。中國芯片技術和產(chǎn)業(yè)的‘短板’最終還是需要中國人踏實創(chuàng)新來解決?！敝袊こ淘涸菏俊⒅袊茖W院計算技術研究所研究員倪光南表示，從這個意義上來說，華為事件是全民的“警醒劑”，有積極的一面。在倪光南看來，目前中國的短板主要是芯片、操作系統(tǒng)、工業(yè)軟件以及大型根底軟件方面。如果能夠整合國內(nèi)資源，利用好人才和市場優(yōu)勢，突破這些短板并不會需要很長時間。不過，倪光南也指出：“開展集成電路產(chǎn)業(yè)，要有長期的思想準備和投入，不能指望短短幾年就獲得回報，真正把集成電路產(chǎn)業(yè)開展起來，恐怕還要一二十年的時間，我們要有決心，也要有定力，要把行業(yè)短板補齊，踏踏實實堅持做下去。”〔二〕案例點評適用范圍：本案例主要適用于計算機硬件根底、計算機組成原理等課程。本案例是一個描述美國嚴格限制華為使用美國技術、軟件、制造設備來封鎖華為獲得芯片的案例，其教學目的在于讓學生了解華為目前的現(xiàn)狀和困境，引導學生培養(yǎng)踏實創(chuàng)新的學習精神，和努力投身建設和支撐國家重要企業(yè)的民族精神與家國情懷。思政元素：習近平總書記關于很多“卡脖子”技術根源問題的論斷十分深刻。改革開放以來，我國產(chǎn)業(yè)鏈積極融入全球產(chǎn)業(yè)鏈，取得了巨大的經(jīng)濟成就，然而在創(chuàng)新鏈布局方面相對滯后，存在原始創(chuàng)新缺乏這塊短板。過去很長一段時間，我國處于全球產(chǎn)業(yè)鏈的中下游，在科技領域以跟跑為主，所以在創(chuàng)新鏈的上游投入較少。如今，我國一些前沿領域開始進入并跑、領跑階段，為了在國際競爭合作中占據(jù)主動地位，我們必須把原始創(chuàng)新能力提升擺在更加突出的位置。美國接連制裁華為背景下，加快開展自有核心技術的重要性突顯。國務院印發(fā)的《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量開展的假設干政策》強調(diào)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的核心，是引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關鍵力量。有消息稱，對于第三代半導體產(chǎn)業(yè)的開展，政府將給予更高的優(yōu)先權，直到真正實現(xiàn)我國半導體產(chǎn)業(yè)的獨立自主。本案例通過列舉美國自2019年以來對華為實施的一系列制裁，促使學生了解我國具有代表性的優(yōu)秀企業(yè)的開展面臨的局面和困境，從而培養(yǎng)其踏實創(chuàng)新學習技術；并投身于國家重要企業(yè)的精神，使學生具有民族自豪感、使命感和家國情懷。課程思政教學目標：〔1〕通過案例討論，讓學生了解我國芯片技術和產(chǎn)業(yè)的短板，從而培養(yǎng)其反思造成華為危機的原因、培養(yǎng)其踏實創(chuàng)新學習技術的心態(tài)?！?〕鼓勵學生努力學習高精尖的知識與技術，為國家的硬件事業(yè)而奮斗的民族自豪感