面向人工智能的《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)改革的研究

顧晶晶

（南京航空航天大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210006）

0 引言

《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》是高等院校計算機(jī)專業(yè)本科的一門專業(yè)主干課程。該課程是一門綜合了理論和實踐的計算機(jī)專業(yè)核心課，它要求學(xué)生掌握的計算機(jī)整體系統(tǒng)和相關(guān)各子系統(tǒng)的設(shè)計思路，基于應(yīng)用目標(biāo)的硬件和軟件選擇等，理解和掌握計算機(jī)系統(tǒng)的由軟硬件實現(xiàn)的不同和它們之間的相關(guān)性，能夠從系統(tǒng)的、全面的角度來綜合分析、解決和思考問題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》教學(xué)在教授基本結(jié)構(gòu)和框架等知識點的同時，應(yīng)兼顧信息領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展特點[1]。近年來，人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展使得其應(yīng)用迅猛擴(kuò)展，而傳統(tǒng)的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)對于面向人工智能的應(yīng)用在處理速度等方面有著很多不適應(yīng)。近年來隨著人工智能應(yīng)用的發(fā)展，面向其應(yīng)用和基于該技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)正面臨著巨大改變，這些改變給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類課程的教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。如何結(jié)合人工智能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的改革?如何面向人工智能提升教學(xué)內(nèi)容和實驗水平?特別是如何為那些將要面向人工智能技術(shù)應(yīng)用的、或?qū)氖孪嚓P(guān)研究的學(xué)生們打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)?

本文正是針對這些問題，進(jìn)行面向新一代人工智能的《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革的研究，具體內(nèi)容如下：①增加面向人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容，包括人工智能技術(shù)在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中的應(yīng)用，和面向人工智能計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。引導(dǎo)學(xué)生探究人工智能背景下的《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》理論和實現(xiàn)技術(shù)。②通過案例分析的方法，介紹、分析和討論最新的計算機(jī)體系架構(gòu)，尤其是面向人工智能應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)。培養(yǎng)學(xué)生了解在人工智能高速發(fā)展的背景下，計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最新的發(fā)展及趨勢；掌握相關(guān)子系統(tǒng)及關(guān)鍵部件的基本原理和工作過程；掌握面向人工智能應(yīng)用的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法及分析方法。③新增面向人工智能應(yīng)用的《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實驗課程的教學(xué)。通過實驗課的訓(xùn)練，使學(xué)生掌握基于人工智能應(yīng)用問題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、分析方法和實現(xiàn)技術(shù)知識點，培養(yǎng)學(xué)生對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)獨立解決實際問題的能力，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)與創(chuàng)新意識。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題

人工智能與智能制造、自動駕駛、語音圖像處理、醫(yī)療衛(wèi)生、金融、教育等相結(jié)合，正推動新工科人才培養(yǎng)向智能化、自動化和類人化等目標(biāo)轉(zhuǎn)變[2]。人工智能的發(fā)展日新月異，意見改變了我們的生活方式，例如智能家居、智能出行、智能制造業(yè)、智能管理和分析等。這就對于從事計算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生帶來了巨大的變革。人工智能技術(shù)的快速發(fā)展及其廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)推動了社會經(jīng)濟(jì)和發(fā)展。目前，已有一些國內(nèi)外高校和研究院，逐步意識到在開展人工智能教育的必要性，并把面向人工智能的相關(guān)專業(yè)知識內(nèi)容列入教學(xué)內(nèi)容中，并逐步得到推廣。面對人工智能科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，面向人工智能的《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)亟需更新與改革?！队嬎銠C(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》是高等院校計算機(jī)專業(yè)本科的一門專業(yè)主干課程。

20 世紀(jì)70 年代以來微處理器的單線程性能一直保持著指數(shù)增長。而在2010 年后，由于摩爾定律和Dennard scaling 幾近終結(jié)，其增長速度明顯放緩[3]。然而對算力的需求不僅沒有減緩，反而越來越大，特別是面向人工智能的深度學(xué)習(xí)的再次爆發(fā)更是讓這種需求變得愈加緊迫。因此日新月異的人工智能技術(shù)也為計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)帶來了巨大的變革。目前基于機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能算法的硬件運(yùn)行環(huán)境較以往傳統(tǒng)的方法會有很大的不同，較常用的使用付費(fèi)的云計算，二是使用線下已有的專用計算和存儲資，相關(guān)的產(chǎn)品有Google Cloud 提供更多的計算能力的TPU，英偉達(dá)等[4]。在5G 物聯(lián)網(wǎng)時代，進(jìn)行邊緣計算的設(shè)備也會較傳統(tǒng)設(shè)備具有不同的選擇，主要有：GPU[5]、FPGA[6]、ASIC[7]。

在人工智能發(fā)展的環(huán)境中，相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展也為計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的教育教學(xué)提出了挑戰(zhàn)?！爸貢?、重考試、輕實踐”是我國學(xué)生培養(yǎng)存在的問題，也是《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中不容忽視的問題。在這樣的教育環(huán)境下，學(xué)生接觸知識面單一，思維也得不到訓(xùn)練，很少能夠把知識應(yīng)用于實踐，更難做到實踐創(chuàng)新。當(dāng)下人工智能技術(shù)已經(jīng)成了科技發(fā)展的一種潮流，在缺少實踐教學(xué)的《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》這類課程中，也少有應(yīng)用。為此，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程改革中，我們將人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)融入《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》教學(xué)中，讓學(xué)生能夠升入理解掌握計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識的同時，結(jié)合當(dāng)下技術(shù)新潮，開拓視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新精神。

2 課程改革探討

如前所述，在全球人工智能發(fā)展浪潮中，我國人工智能技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和市場的發(fā)展取得了令人矚目的成績，并表現(xiàn)出與發(fā)達(dá)國家同步的態(tài)勢。如今關(guān)于人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用日新月異，從計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析、電路設(shè)計，芯片商業(yè)化生產(chǎn)，到上層軟件設(shè)計等都涉及到了人工智能技術(shù)。人工智能時代的到來，使得計算機(jī)系統(tǒng)與架構(gòu)將被重新定義，數(shù)據(jù)及計算能力的重要性再次升級。相關(guān)的人工智能芯片要么延續(xù)傳統(tǒng)計算架構(gòu)去加速硬件計算能力，如并行加速計算的GPU 和半定制化的FPGA[8]，要么顛覆了經(jīng)典的馮·諾依曼計算架構(gòu)[9]，或采用類腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)來提升系統(tǒng)的計算能力[10]。因此，可以預(yù)見下一代計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將有著更高效的大卷積解構(gòu)；更低的計算/存儲位寬；更多樣的存儲器定制設(shè)計等發(fā)展趨勢。

因此，人工智能時代對大學(xué)生人才素質(zhì)要求的影響首先直接體現(xiàn)在各個技術(shù)領(lǐng)域，將在技術(shù)層面以及應(yīng)用層面直接對人才提出硬性技術(shù)能力和軟性素質(zhì)能力兩方面的更高要求。具體來說，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程改革的內(nèi)容有如下幾點。

2.1 面向人工智能的發(fā)展，加強(qiáng)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的新穎性和實用性

面向人工智能的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，要注重內(nèi)容的實用性介紹。如今關(guān)于人工智能技術(shù)的發(fā)展日新月異，從電路設(shè)計，芯片商業(yè)化生產(chǎn)，到上層軟件設(shè)計等都涉及到了人工智能技術(shù)，而現(xiàn)有《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不滿足現(xiàn)代和未來計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。因此，面向人工智能的應(yīng)用，對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了新的要求：如系統(tǒng)需具有高效的推理機(jī)制、極強(qiáng)的符號處理能力以及數(shù)值計算能力、支持人工智能程序并行性開發(fā)、具有高度的多重處理、并行處理和分布式處理能力，以滿足指數(shù)級復(fù)雜度的計算需要；具有大容量的結(jié)構(gòu)化存儲器，要求存儲器具有較寬頻帶以滿足運(yùn)算操作頻繁訪問存儲器；為了適應(yīng)非確定性計算，需要有靈活的體系結(jié)構(gòu)與控制機(jī)制。

2.2 增加案例教學(xué)法，與學(xué)科發(fā)展前沿接軌

在課程的教學(xué)中引入人工智能技術(shù)在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中的應(yīng)用，及面向人工智能計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等豐富多彩的現(xiàn)代計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)案例。依據(jù)課堂教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，選擇合適的典型的案例，引導(dǎo)學(xué)生分析典型案例，鼓勵學(xué)生單獨或者組團(tuán)和討論相關(guān)案例，結(jié)合案例的系統(tǒng)設(shè)計、組成結(jié)構(gòu)和相關(guān)實現(xiàn)，做到理論、設(shè)計、實現(xiàn)相結(jié)合。同時從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合系統(tǒng)的學(xué)習(xí)研究能力。

為了更好地在課堂教學(xué)中引入前沿技術(shù)，采用理論授課與專題講座、研討相結(jié)合的互動式教學(xué)模式，在教師的引導(dǎo)下，培養(yǎng)學(xué)生探尋人工智能新技術(shù)的能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)和研究的綜合能力。可以帶領(lǐng)學(xué)生研究討論前沿技術(shù)，包括目前較新的人工智能前沿學(xué)術(shù)研究成果，主要以學(xué)術(shù)論文為主；并且關(guān)于工業(yè)界最新的且市場上普遍采用的智能產(chǎn)品（如移動智能終端）研討。課程教學(xué)過程中選擇的主題應(yīng)以當(dāng)時先進(jìn)的內(nèi)容為主，這里以目前人工智能在計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中較新的研究進(jìn)設(shè)計主題。通過專題研討幫助學(xué)生了解國內(nèi)外面向人工智能的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.3 理論指導(dǎo)下的實踐方法

面向人工智能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實驗主要是對理論知識的補(bǔ)充、加強(qiáng)學(xué)生對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理解。結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動和人工智能技術(shù)，加強(qiáng)新技術(shù)在《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》教學(xué)中的應(yīng)用，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知識。需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和課程內(nèi)容，提出《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的實驗教學(xué)方法。

當(dāng)下人工智能技術(shù)已經(jīng)成了科技發(fā)展的一種潮流，在缺少實踐教學(xué)的《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》這類課程中，也少有應(yīng)用。為此，在本門課程中，我們可以將人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)融入《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》的實驗教學(xué)中，讓學(xué)生能夠升入理解掌握計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識的同時，結(jié)合當(dāng)下技術(shù)新潮，開拓視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新精神。并有助于加強(qiáng)學(xué)生對面向人工智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的深刻理解，并將所學(xué)到的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)換成實踐。

3 結(jié)語

近年來人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展使得其應(yīng)用迅猛擴(kuò)展，而傳統(tǒng)的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)對于面向人工智能的應(yīng)用在處理速度等方面有著諸多不適應(yīng)。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，及基于該技術(shù)應(yīng)用的廣泛普及，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)業(yè)面臨著重大改變，這給教學(xué)工作者提出了新的挑戰(zhàn)。本文詳細(xì)探討了面向人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容的相關(guān)改革，包括人工智能技術(shù)在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中的應(yīng)用，和面向人工智能計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。并可通過案例分析的方法，介紹、分析和討論最新的計算機(jī)體系架構(gòu)。最后，通過面向人工智能應(yīng)用的《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實驗課程的教學(xué)，，使學(xué)生掌握基于人工智能應(yīng)用問題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、分析方法和實現(xiàn)技術(shù)知識點，培養(yǎng)學(xué)生對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)獨立解決實際問題的能力，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)與創(chuàng)新意識。