課程思政案例《計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)》

課程思政案例：計(jì)算機(jī)硬件根底一、課程簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)硬件根底〔ComputerHardwareFoundation〕是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生必須掌握的計(jì)算機(jī)專業(yè)根底課。主要介紹計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)的根本原理，硬件和軟件在多個(gè)層次上的相互關(guān)系。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)該課程可以理解硬件的根本原理，學(xué)習(xí)軟硬件交互與協(xié)同技術(shù),理解如何才能編寫出專門針對(duì)大數(shù)據(jù)計(jì)算的高效程序。開(kāi)設(shè)該課程可以為后續(xù)的大數(shù)據(jù)專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的根底。在講授硬件根底知識(shí)的同時(shí)，本課程在思政育人方面的定位是培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷、敬業(yè)精神、職業(yè)素養(yǎng)、工匠精神、努力學(xué)習(xí)的民族使命感和科技興國(guó)的抱負(fù)。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(shí)點(diǎn)思政要點(diǎn)相關(guān)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(guó)際的芯片制程工藝CPU實(shí)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(guó)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(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)精神的形成過(guò)程案例1.中芯國(guó)際的芯片制程工藝案例2.華為芯片斷供學(xué)習(xí)高端核心技術(shù)的熱情CPU的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)性能的關(guān)系去除表象的思辨邏輯案例1.中芯國(guó)際的芯片制程工藝形成去偽存真的科學(xué)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(guó)際的芯片制程工藝案例2.華為芯片斷供思考團(tuán)隊(duì)默契協(xié)作的重要性CPU芯片制造的工藝與難點(diǎn)努力學(xué)習(xí)高精尖的知識(shí)與技術(shù)案例1.中芯國(guó)際的芯片制程工藝案例2.華為芯片斷供為國(guó)家的硬件事業(yè)而奮斗的民族自豪感和愛(ài)國(guó)情懷三、教學(xué)組織過(guò)程〔一〕第1學(xué)時(shí)1.MIPS指令與硬件的聯(lián)系思政融入點(diǎn)：?jiǎn)⒌蠈W(xué)生形成去除表象的思辨邏輯與科學(xué)精神，還有敢于探究的勇氣。引入-提出問(wèn)題：“MIPS指令如何在CPU上執(zhí)行？CPU如何實(shí)現(xiàn)MIPS指令？”；讓學(xué)生帶著問(wèn)題回憶MIPS指令。2.回憶-MIPS的核心子集：存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令：lw,sw；算術(shù)/邏輯指令：add,sub,and,or,slt；分支指令：beq,j；舉例-MIPS指令執(zhí)行過(guò)程——以加法為例：addrd,rs,rt。3.CPU實(shí)現(xiàn)MIPS的數(shù)據(jù)通路思政融入點(diǎn)：引導(dǎo)學(xué)生形成去偽存真的科學(xué)素養(yǎng)與態(tài)度，同時(shí)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(jìn)行解釋；介紹——參加控制信號(hào)的數(shù)據(jù)通路〔簡(jiǎn)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(gòu)成：“操作元件(亦稱為組合邏輯元件)”和“存儲(chǔ)元件(亦稱為狀態(tài)元件)”；擴(kuò)展——以圖為例進(jìn)行延伸；總結(jié)——數(shù)據(jù)通路是由操作元件和存儲(chǔ)元件通過(guò)總線方式或分散方式連接而成的進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、傳送的路徑。〔二〕第2學(xué)時(shí)1.CPU數(shù)據(jù)通路的硬件實(shí)現(xiàn)思政融入點(diǎn)：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)高端核心技術(shù)的熱情，引導(dǎo)其形成去偽存真的科學(xué)素養(yǎng)與態(tài)度。講解——實(shí)現(xiàn)操作元件和存儲(chǔ)元件的兩類芯片；舉例——生產(chǎn)存儲(chǔ)元件的廠家，如長(zhǎng)江存儲(chǔ)(國(guó)內(nèi)最大的NANDFlash廠)、合肥長(zhǎng)鑫(DRAM廠)〔比照全球市場(chǎng)份額〕；討論——CPU的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)性能的關(guān)系：計(jì)算機(jī)性能(程序執(zhí)行快慢，CPU時(shí)間)由三個(gè)關(guān)鍵因素決定，CPU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)非常重要！它直接影響著計(jì)算機(jī)的性能。2.CPU芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)思政融入點(diǎn)：培養(yǎng)學(xué)生形成精益求精的工匠精神，啟迪其思考團(tuán)隊(duì)默契協(xié)作的重要性。鼓勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)高精尖的知識(shí)與技術(shù)，為國(guó)家的硬件事業(yè)而奮斗的民族自豪感和愛(ài)國(guó)情懷。介紹：CPU芯片制造的根本流程，芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝檢測(cè)、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(diǎn)：制作設(shè)備的本錢。觀看視頻：一臺(tái)7nm光刻機(jī)的月產(chǎn)量。制作工藝的難度：技術(shù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。討論：中國(guó)芯片開(kāi)展的現(xiàn)狀。思考：如何提升我國(guó)芯片制造的工藝？案例中芯國(guó)際的芯片制程工藝；如何在高端制造業(yè)上發(fā)力，進(jìn)行自主研發(fā)？案例華為芯片斷供。四、教學(xué)反思本節(jié)課通過(guò)講授數(shù)據(jù)通路的根本概念、構(gòu)成、指令的執(zhí)行流程，讓學(xué)生全方位地了解CPU的設(shè)計(jì)特點(diǎn)；進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)了解芯片制造的難點(diǎn)。在講解與討論的過(guò)程中參加了兩個(gè)思政案例，一個(gè)是中芯國(guó)際的芯片制程工藝，另一個(gè)是華為芯片斷供。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生討論積極、對(duì)芯片的設(shè)計(jì)與制造十分感興趣，他們通過(guò)討論這兩個(gè)案例，加深了對(duì)我國(guó)芯片業(yè)現(xiàn)狀的理解；從教師的角度看，那么進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)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(xué)生科技興國(guó)的抱負(fù)與實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)的愛(ài)國(guó)情懷，整體教學(xué)取得了良好的效果。五、案例01案例1：中芯國(guó)際的芯片制程工藝〔一〕案例簡(jiǎn)介在全球芯片代工市場(chǎng)中，絕大局部的芯片代工市場(chǎng)份額都被臺(tái)積電、三星所壟斷，因?yàn)榕_(tái)積電、三星擁有最為先進(jìn)的芯片制造技術(shù)，在2020年，臺(tái)積電、三星更是會(huì)進(jìn)入到5nm芯片工藝時(shí)代，反觀中國(guó)大陸地區(qū)最大的芯片代工巨頭—中芯國(guó)際，直到2019年年底才正式開(kāi)始量產(chǎn)14nm芯片，據(jù)透露，目前中芯國(guó)際已經(jīng)接下了華為14nm超級(jí)芯片大單，同時(shí)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(guó)際14nm芯片工藝正式量產(chǎn)，意味著中芯國(guó)際所擁有的芯片制造工藝就能夠直接滿足國(guó)內(nèi)95%的芯片制造需求，極大的緩解國(guó)產(chǎn)芯片在制造領(lǐng)域的困境。除了在14nm芯片工藝上，不斷傳來(lái)好消息以外，目前中芯國(guó)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(guó)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(shí)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(huì)面向更高性能的芯片，”其中梁孟松也更是重點(diǎn)提到，目前中芯國(guó)際N+1、N+2芯片工藝都不會(huì)采用EUV工藝，再等到相關(guān)EUV光刻機(jī)設(shè)備就緒后，中芯國(guó)際方面會(huì)直接將N+2芯片工藝直接轉(zhuǎn)向EUV工藝，進(jìn)一步提升中芯國(guó)際的芯片工藝制造水平?；貞浥_(tái)積電在7nm芯片工藝的開(kāi)展史，就能夠看到，臺(tái)積電其實(shí)在7nm芯片工藝上共有三次技術(shù)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(méi)有使用高端EUV光刻機(jī)設(shè)備，唯獨(dú)N7+使用了EUV工藝，所以沒(méi)有EUV光刻機(jī)設(shè)備，中芯國(guó)際同樣也能夠進(jìn)入到7nm芯片工藝時(shí)代，但對(duì)于7nmEUV芯片工藝那么依舊需要依賴高端EUV光刻機(jī)設(shè)備。據(jù)悉，中芯國(guó)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(guó)際將會(huì)加大研發(fā)支出，用于研發(fā)、建設(shè)晶圓廠，投資金額更是高達(dá)31億美元〔約人民幣216億元〕，在上海〔20億美元〕、北京〔5億美元〕建設(shè)12英寸圓晶廠。資料來(lái)源：騰訊新聞〔二〕案例點(diǎn)評(píng)適用范圍：本案例主要適用于計(jì)算機(jī)硬件根底、計(jì)算機(jī)組成原理等課程。本案例是一個(gè)描述中國(guó)芯片制造工藝與國(guó)際頂級(jí)芯片制造工藝之間的差距的案例，其教學(xué)目的在于使學(xué)生對(duì)我國(guó)芯片制造的現(xiàn)狀更清晰、準(zhǔn)確和透徹地理解，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立精益求精，努力學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)提升國(guó)家實(shí)力的精神。思政元素：新中國(guó)很早就意識(shí)到了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大潛力，投入資源建立了初級(jí)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。以光刻機(jī)為例，中國(guó)1978年開(kāi)發(fā)5微米制程半自動(dòng)光刻機(jī)，此后，電子工業(yè)部45所、上海光機(jī)所、中科院光電所、上海微電子等單位持續(xù)推出多個(gè)版本的光刻機(jī)。與自身相比，中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)并未停滯，2019年生產(chǎn)集成電路2018.2億個(gè)，40年來(lái)增長(zhǎng)上萬(wàn)倍。然而，由于芯片制造相關(guān)的根底科研能力缺乏，制程從微米深入納米后，中國(guó)無(wú)法跟上世界頂尖企業(yè)的開(kāi)展步伐，缺少足夠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，差距逐漸拉大。對(duì)于目前中國(guó)的芯片困境，中國(guó)工程院院士鄔賀銓表示：“我國(guó)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(xì)化工、精密材料等方面的落后。”本案例通過(guò)比擬中芯國(guó)際和臺(tái)積電的芯片制造工藝，促使學(xué)生了解我國(guó)芯片開(kāi)展的現(xiàn)狀，從而培養(yǎng)其踏踏實(shí)實(shí)學(xué)技術(shù)、沉下心來(lái)做根底研究的心態(tài)；并使學(xué)生意識(shí)到只有掌握了核心技術(shù)，才能使自己的國(guó)家才在關(guān)鍵技術(shù)上有自主權(quán)和話語(yǔ)權(quán)。課程思政教學(xué)目標(biāo)：〔1〕通過(guò)案例討論，讓學(xué)生了解我國(guó)芯片開(kāi)展的現(xiàn)狀，從而培養(yǎng)其形成科學(xué)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。〔2〕使學(xué)生意識(shí)到只有掌握了核心技術(shù)，才能使自己的國(guó)家才在關(guān)鍵技術(shù)上有自主權(quán)和話語(yǔ)權(quán)。相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)：與時(shí)事緊密聯(lián)系，充分將專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)會(huì)發(fā)散性思維。教師在課堂講授過(guò)程中，首先要注意課程知識(shí)與思政元素的結(jié)合，防止顧此失彼；其次，在從課程知識(shí)過(guò)渡到思政元素的過(guò)程中，要注意語(yǔ)氣和情緒的自然，要注意照顧學(xué)生的聽(tīng)課情緒，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極參與課堂討論；這不僅扎實(shí)了課本知識(shí)，還深入了解了思政時(shí)事，擴(kuò)充了學(xué)生的知識(shí)面。最后，通過(guò)案例討論，引導(dǎo)學(xué)生思考如何提升我國(guó)的芯片制造工藝；課堂上，學(xué)生更加積極地發(fā)表自己的言論。學(xué)生對(duì)芯片技術(shù)有了更深刻的了解，同時(shí)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)提升國(guó)家實(shí)力的感悟也提升了。02案例2：華為芯片斷供(略)〔一〕案例簡(jiǎn)介2019年5月16日，美國(guó)商務(wù)部以國(guó)家平安為由，將華為及其70家附屬公司列入管制“實(shí)體名單”，禁止美國(guó)企業(yè)向華為出售相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品。封殺令一出，世界嘩然。時(shí)隔一年，2020年5月15日，美國(guó)商務(wù)部發(fā)布公告，嚴(yán)格限制華為使用美國(guó)技術(shù)和軟件在美國(guó)境外設(shè)計(jì)和制造半導(dǎo)體。此次禁令的核心在于，任何使用美國(guó)軟件或美國(guó)制造設(shè)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(guó)對(duì)華為的封殺升級(jí)，同樣挑戰(zhàn)了國(guó)際供給鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的底線。批評(píng)人士稱，美國(guó)此輪制裁不僅是對(duì)華為“處以極刑”，更會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂全球芯片市場(chǎng)及相關(guān)行業(yè)。芯片設(shè)計(jì)公司通常利用美國(guó)開(kāi)發(fā)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，而在先進(jìn)半導(dǎo)體制造廠中，采用結(jié)合美國(guó)技術(shù)的芯片制造設(shè)備更是再普通不過(guò)的事情。美國(guó)宣布的禁令主要針對(duì)華為，但影響遠(yuǎn)超過(guò)華為本身。2020華為開(kāi)發(fā)者大會(huì)上，華為以這樣的開(kāi)場(chǎng)白透露出意味深長(zhǎng)的信息。在華為消費(fèi)者業(yè)務(wù)軟件部總裁王成錄看來(lái)，芯片問(wèn)題反而給了企業(yè)反思，沒(méi)有選擇就是最好的選擇。限制反而讓大家有一個(gè)非常好的時(shí)機(jī)，危、機(jī)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?yàn)檫@樣的限制，我相信中國(guó)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(shuō)中國(guó)的高科技行業(yè)不繁榮，因?yàn)槟敲炊嗨^高科技企業(yè)進(jìn)入到世界500強(qiáng)，但真正看一下，這樣的‘枝繁葉茂’是非常危險(xiǎn)的，瞬間就可以被推倒。為什么？因?yàn)槲覀儧](méi)有‘根’。所以從這個(gè)角度來(lái)看，芯片制裁這種事反而給了中國(guó)產(chǎn)業(yè)界去重新構(gòu)建的一個(gè)絕好時(shí)機(jī)，沒(méi)有選擇就是最正確的選擇。”王成錄說(shuō)。在芯片層面，華為輪值董事長(zhǎng)郭平表示，前端還有芯片制造工藝、制造設(shè)備和原材料，是美國(guó)約束華為的地方。“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，會(huì)繼續(xù)保持對(duì)海思的投資，同時(shí)會(huì)幫助前端的伙伴完善和建立自己的能力。我相信假設(shè)干年后我們會(huì)有一個(gè)更強(qiáng)大的海思?！睋?jù)日經(jīng)新聞報(bào)道，中芯國(guó)際正測(cè)試非美國(guó)設(shè)備的生產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)今年底將在完全不使用美國(guó)設(shè)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(jìn)的28納米芯片?！霸?jīng)，我們?cè)诤芏喾矫?，希望能夠用更省事的方法解決問(wèn)題，所謂‘造不如買，買不如租’。實(shí)踐證明，核心技術(shù)是買不來(lái)的。中國(guó)芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的‘短板’最終還是需要中國(guó)人踏實(shí)創(chuàng)新來(lái)解決。”中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員倪光南表示，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，華為事件是全民的“警醒劑”，有積極的一面。在倪光南看來(lái)，目前中國(guó)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(guó)內(nèi)資源，利用好人才和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，突破這些短板并不會(huì)需要很長(zhǎng)時(shí)間。不過(guò)，倪光南也指出：“開(kāi)展集成電路產(chǎn)業(yè)，要有長(zhǎng)期的思想準(zhǔn)備和投入，不能指望短短幾年就獲得回報(bào)，真正把集成電路產(chǎn)業(yè)開(kāi)展起來(lái)，恐怕還要一二十年的時(shí)間，我們要有決心，也要有定力，要把行業(yè)短板補(bǔ)齊，踏踏實(shí)實(shí)堅(jiān)持做下去?！薄捕嘲咐c(diǎn)評(píng)適用范圍：本案例主要適用于計(jì)算機(jī)硬件根底、計(jì)算機(jī)組成原理等課程。本案例是一個(gè)描述美國(guó)嚴(yán)格限制華為使用美國(guó)技術(shù)、軟件、制造設(shè)備來(lái)封鎖華為獲得芯片的案例，其教學(xué)目的在于讓學(xué)生了解華為目前的現(xiàn)狀和困境，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)踏實(shí)創(chuàng)新的學(xué)習(xí)精神，和努力投身建設(shè)和支撐國(guó)家重要企業(yè)的民族精神與家國(guó)情懷。思政元素：習(xí)近平總書記關(guān)于很多“卡脖子”技術(shù)根源問(wèn)題的論斷十分深刻。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)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(jì)成就，然而在創(chuàng)新鏈布局方面相對(duì)滯后，存在原始創(chuàng)新缺乏這塊短板。過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)處于全球產(chǎn)業(yè)鏈的中下游，在科技領(lǐng)域以跟跑為主，所以在創(chuàng)新鏈的上游投入較少。如今，我國(guó)一些前沿領(lǐng)域開(kāi)始進(jìn)入并跑、領(lǐng)跑階段，為了在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)合作中占據(jù)主動(dòng)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(guó)接連制裁華為背景下，加快開(kāi)展自有核心技術(shù)的重要性突顯。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量開(kāi)展的假設(shè)干政策》強(qiáng)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(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵力量。有消息稱，對(duì)于第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的開(kāi)展，政府將給予更高的優(yōu)先權(quán)，直到真正實(shí)現(xiàn)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的獨(dú)立自主。本案例通過(guò)列舉美國(guó)自2019年以來(lái)對(duì)華為實(shí)施的一系列制裁，促使學(xué)生了解我國(guó)具有代表性的優(yōu)秀企業(yè)的開(kāi)展面臨的局面和困境，從而培養(yǎng)其踏實(shí)創(chuàng)新學(xué)習(xí)技術(shù)；并投身于國(guó)家重要企業(yè)的精神，使學(xué)生具有民族自豪感、使命感和家國(guó)情懷。課程思政教學(xué)目標(biāo)：〔1〕通過(guò)案例討論，讓學(xué)生了解我國(guó)芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的短板，從而培養(yǎng)其反思造成華為危機(jī)的原因、培養(yǎng)其踏實(shí)創(chuàng)新學(xué)習(xí)技術(shù)的心態(tài)?！?〕鼓勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)高精尖的知識(shí)與技術(shù)，為國(guó)家的硬件事業(yè)而奮斗的民族自豪感