面向人工智能的《计算机系统结构》课程的教学改革的研究

顾晶晶

（南京航空航天大学计算机科学与技术学院，南京 210006）

0 引言

《计算机系统结构》是高等院校计算机专业本科的一门专业主干课程。该课程是一门综合了理论和实践的计算机专业核心课，它要求学生掌握的计算机整体系统和相关各子系统的设计思路，基于应用目标的硬件和软件选择等，理解和掌握计算机系统的由软硬件实现的不同和它们之间的相关性，能够从系统的、全面的角度来综合分析、解决和思考问题。随着信息技术的发展，《计算机系统结构》教学在教授基本结构和框架等知识点的同时，应兼顾信息领域技术和产业化的发展特点[1]。近年来，人工智能技术的飞速发展使得其应用迅猛扩展，而传统的计算机体系结构对于面向人工智能的应用在处理速度等方面有着很多不适应。近年来随着人工智能应用的发展，面向其应用和基于该技术的系统结构技术正面临着巨大改变，这些改变给系统结构类课程的教学提出了新的挑战。如何结合人工智能技术的发展进行教学内容的改革?如何面向人工智能提升教学内容和实验水平?特别是如何为那些将要面向人工智能技术应用的、或将从事相关研究的学生们打下良好的专业基础?

本文正是针对这些问题，进行面向新一代人工智能的《计算机系统结构》课程教学改革的研究，具体内容如下：①增加面向人工智能应用领域的相关系统结构课程内容，包括人工智能技术在计算机体系结构设计和分析中的应用，和面向人工智能计算机的系统结构等内容。引导学生探究人工智能背景下的《计算机系统结构》理论和实现技术。②通过案例分析的方法，介绍、分析和讨论最新的计算机体系架构，尤其是面向人工智能应用的体系结构。培养学生了解在人工智能高速发展的背景下，计算机系统结构的最新的发展及趋势；掌握相关子系统及关键部件的基本原理和工作过程；掌握面向人工智能应用的计算机系统结构的设计方法及分析方法。③新增面向人工智能应用的《计算机系统结构》实验课程的教学。通过实验课的训练，使学生掌握基于人工智能应用问题进行系统设计、分析方法和实现技术知识点，培养学生对系统结构课程学习的兴趣，增强独立解决实际问题的能力，提高学生的科研素养与创新意识。

1 国内外研究现状及存在的问题

人工智能与智能制造、自动驾驶、语音图像处理、医疗卫生、金融、教育等相结合，正推动新工科人才培养向智能化、自动化和类人化等目标转变[2]。人工智能的发展日新月异，意见改变了我们的生活方式，例如智能家居、智能出行、智能制造业、智能管理和分析等。这就对于从事计算机类专业的学生带来了巨大的变革。人工智能技术的快速发展及其广泛的应用前景，已经推动了社会经济和发展。目前，已有一些国内外高校和研究院，逐步意识到在开展人工智能教育的必要性，并把面向人工智能的相关专业知识内容列入教学内容中，并逐步得到推广。面对人工智能科学技术的快速发展，面向人工智能的《计算机系统结构》课程的教学亟需更新与改革。《计算机系统结构》是高等院校计算机专业本科的一门专业主干课程。

20 世纪70 年代以来微处理器的单线程性能一直保持着指数增长。而在2010 年后，由于摩尔定律和Dennard scaling 几近终结，其增长速度明显放缓[3]。然而对算力的需求不仅没有减缓，反而越来越大，特别是面向人工智能的深度学习的再次爆发更是让这种需求变得愈加紧迫。因此日新月异的人工智能技术也为计算机的体系结构结构带来了巨大的变革。目前基于机器学习的人工智能算法的硬件运行环境较以往传统的方法会有很大的不同，较常用的使用付费的云计算，二是使用线下已有的专用计算和存储资，相关的产品有Google Cloud 提供更多的计算能力的TPU，英伟达等[4]。在5G 物联网时代，进行边缘计算的设备也会较传统设备具有不同的选择，主要有：GPU[5]、FPGA[6]、ASIC[7]。

在人工智能发展的环境中，相关技术的进步和发展也为计算机体系结构的教育教学提出了挑战。“重书本、重考试、轻实践”是我国学生培养存在的问题，也是《计算机系统结构》课程教学中不容忽视的问题。在这样的教育环境下，学生接触知识面单一，思维也得不到训练，很少能够把知识应用于实践，更难做到实践创新。当下人工智能技术已经成了科技发展的一种潮流，在缺少实践教学的《计算机系统结构》这类课程中，也少有应用。为此，在系统结构课程改革中，我们将人工智能与大数据技术融入《计算机系统结构》教学中，让学生能够升入理解掌握计算机系统结构相关知识的同时，结合当下技术新潮，开拓视野，激发学生的学习兴趣与创新精神。

2 课程改革探讨

如前所述，在全球人工智能发展浪潮中，我国人工智能技术、产业和市场的发展取得了令人瞩目的成绩，并表现出与发达国家同步的态势。如今关于人工智能技术的发展与应用日新月异，从计算机体系结构设计与分析、电路设计，芯片商业化生产，到上层软件设计等都涉及到了人工智能技术。人工智能时代的到来，使得计算机系统与架构将被重新定义，数据及计算能力的重要性再次升级。相关的人工智能芯片要么延续传统计算架构去加速硬件计算能力，如并行加速计算的GPU 和半定制化的FPGA[8]，要么颠覆了经典的冯·诺依曼计算架构[9]，或采用类脑神经结构来提升系统的计算能力[10]。因此，可以预见下一代计算机系统结构将有着更高效的大卷积解构；更低的计算/存储位宽；更多样的存储器定制设计等发展趋势。

因此，人工智能时代对大学生人才素质要求的影响首先直接体现在各个技术领域，将在技术层面以及应用层面直接对人才提出硬性技术能力和软性素质能力两方面的更高要求。具体来说，系统结构课程改革的内容有如下几点。

2.1 面向人工智能的发展，加强相关教学内容的新颖性和实用性

面向人工智能的计算机体系结构教学内容，要注重内容的实用性介绍。如今关于人工智能技术的发展日新月异，从电路设计，芯片商业化生产，到上层软件设计等都涉及到了人工智能技术，而现有《计算机系统结构》的教学内容已经不满足现代和未来计算机体系结构的发展。因此，面向人工智能的应用，对计算机系统结构产生了新的要求：如系统需具有高效的推理机制、极强的符号处理能力以及数值计算能力、支持人工智能程序并行性开发、具有高度的多重处理、并行处理和分布式处理能力，以满足指数级复杂度的计算需要；具有大容量的结构化存储器，要求存储器具有较宽频带以满足运算操作频繁访问存储器；为了适应非确定性计算，需要有灵活的体系结构与控制机制。

2.2 增加案例教学法，与学科发展前沿接轨

在课程的教学中引入人工智能技术在计算机体系结构设计和分析中的应用，及面向人工智能计算机的系统结构等丰富多彩的现代计算机体系结构教学案例。依据课堂教学目标和教学内容，选择合适的典型的案例，引导学生分析典型案例，鼓励学生单独或者组团和讨论相关案例，结合案例的系统设计、组成结构和相关实现，做到理论、设计、实现相结合。同时从而提高学生学习的积极性和主动性，培养学生的综合系统的学习研究能力。

为了更好地在课堂教学中引入前沿技术，采用理论授课与专题讲座、研讨相结合的互动式教学模式，在教师的引导下，培养学生探寻人工智能新技术的能力，增强学习和研究的综合能力。可以带领学生研究讨论前沿技术，包括目前较新的人工智能前沿学术研究成果，主要以学术论文为主；并且关于工业界最新的且市场上普遍采用的智能产品（如移动智能终端）研讨。课程教学过程中选择的主题应以当时先进的内容为主，这里以目前人工智能在计算机系统结构中较新的研究进设计主题。通过专题研讨帮助学生了解国内外面向人工智能的计算机系统结构的发展现状。

2.3 理论指导下的实践方法

面向人工智能的系统结构课程实验主要是对理论知识的补充、加强学生对计算机系统结构的理解。结合数据驱动和人工智能技术，加强新技术在《计算机系统结构》教学中的应用，帮助学生更好地学习计算机系统结构知识。需要根据教学目标和课程内容，提出《计算机系统结构》课程的实验教学方法。

当下人工智能技术已经成了科技发展的一种潮流，在缺少实践教学的《计算机系统结构》这类课程中，也少有应用。为此，在本门课程中，我们可以将人工智能与大数据技术融入《计算机系统结构》的实验教学中，让学生能够升入理解掌握计算机系统结构相关知识的同时，结合当下技术新潮，开拓视野，激发学生的学习兴趣与创新精神。并有助于加强学生对面向人工智能系统结构发展的深刻理解，并将所学到的教学内容转换成实践。

3 结语

近年来人工智能技术的飞速发展使得其应用迅猛扩展，而传统的计算机体系结构对于面向人工智能的应用在处理速度等方面有着诸多不适应。随着人工智能技术的快速发展，及基于该技术应用的广泛普及，计算机体系结构技术业面临着重大改变，这给教学工作者提出了新的挑战。本文详细探讨了面向人工智能应用领域的相关系统结构课程内容的相关改革，包括人工智能技术在计算机体系结构设计和分析中的应用，和面向人工智能计算机的系统结构等内容。并可通过案例分析的方法，介绍、分析和讨论最新的计算机体系架构。最后，通过面向人工智能应用的《计算机系统结构》实验课程的教学，，使学生掌握基于人工智能应用问题进行系统设计、分析方法和实现技术知识点，培养学生对系统结构课程学习的兴趣，增强独立解决实际问题的能力，提高学生的科研素养与创新意识。