STU课程思政案例32| 郑麟：计算机硬件基础
一、课程简介
计算机硬件基础（Computer Hardware Foundation）是数据科学与大数据技术专业的学生必须掌握的计算机专业基础课。主要介绍计算机组成与设计的基本原理，硬件和软件在多个层次上的相互关系。学生通过学习该课程可以理解硬件的基本原理，学习软硬件交互与协同技术,理解如何才能编写出专门针对大数据计算的高效程序。开设该课程可以为后续的大数据专业课打下坚实的基础。在讲授硬件基础知识的同时，本课程在思政育人方面的定位是培养学生的爱国情怀、敬业精神、职业素养、工匠精神、努力学习的民族使命感和科技兴国的抱负。
二、课程内容
章节 | 第4.1节CPU数据通路概述 | |
知识点 | 思政要点 | 相关案例 |
MIPS指令与硬件的联系 | 敢于探究的勇气 | 案例1.中芯国际的芯片制程工艺 |
CPU实现MIPS的数据通路 | 一丝不苟的职业素养 | 案例1.中芯国际的芯片制程工艺 |
专业与专注的工程师品格 | ||
CPU数据通路的硬件实现 | 团队精神的形成过程 | 案例1.中芯国际的芯片制程工艺 案例2.华为芯片断供 |
学习高端核心技术的热情 | ||
CPU的设计与计算机性能的关系 | 去除表象的思辨逻辑 | 案例1.中芯国际的芯片制程工艺 |
形成去伪存真的科学素养与态度 | ||
CPU芯片制造的基本流程 | 形成精益求精的工匠精神 | 案例1.中芯国际的芯片制程工艺 案例2.华为芯片断供 |
思考团队默契协作的重要性 | ||
CPU芯片制造的工艺与难点 | 努力学习高精尖的知识与技术 | 案例1.中芯国际的芯片制程工艺 案例2.华为芯片断供 |
为国家的硬件事业而奋斗的民族自豪感和爱国情怀 |
三、教学组织过程
（一）第1学时
1.MIPS指令与硬件的联系
思政融入点：启迪学生形成去除表象的思辨逻辑与科学精神，还有敢于探究的勇气。
引入-提出问题：“MIPS指令如何在CPU上执行？CPU如何实现MIPS指令？”；让学生带着问题回顾MIPS指令。
2.回顾-MIPS的核心子集：
存储器访问指令：lw, sw；算术/逻辑指令：add, sub, and, or, slt；
分支指令：beq, j；举例-MIPS指令执行过程——以加法为例：add rd, rs, rt。
3.CPU实现MIPS的数据通路
思政融入点：引导学生形成去伪存真的科学素养与态度，同时培养其一丝不苟的职业素养和专业专注的工程师品格。
概括——从MIPS加法指令中概括出指令的执行流程，以图示的数据通路进行解释；介绍——加入控制信号的数据通路（简单了解）；思考——数据通路部件可以分为哪些类别？讲解——数据通路的构成：“操作元件(亦称为组合逻辑元件)”和“存储元件(亦称为状态元件)”；扩展——以图为例进行延伸；总结——数据通路是由操作元件和存储元件通过总线方式或分散方式连接而成的进行数据存储、处理、传送的路径。
（二）第2学时
1.CPU数据通路的硬件实现
思政融入点：激发学生学习高端核心技术的热情，引导其形成去伪存真的科学素养与态度。
讲解——实现操作元件和存储元件的两类芯片；举例——生产存储元件的厂家，如长江存储(国内最大的NAND Flash厂)、合肥长鑫(DRAM厂)（对比全球市场份额）；讨论——CPU的设计与计算机性能的关系：计算机性能(程序执行快慢，CPU时间)由三个关键因素决定，CPU的设计与实现非常重要！它直接影响着计算机的性能。
2.CPU芯片的设计与实现
思政融入点：培养学生形成精益求精的工匠精神，启迪其思考团队默契协作的重要性。激励学生努力学习高精尖的知识与技术，为国家的硬件事业而奋斗的民族自豪感和爱国情怀。
介绍：CPU芯片制造的基本流程，芯片设计、晶圆制造、封装检测、交付系统厂商（包括厂商：华为、苹果）。分析：芯片制造的工艺与难点：制作设备的成本。观看视频：一台7nm光刻机的月产量。制作工艺的难度：技术节点标准。讨论：中国芯片发展的现状。思考：如何提升我国芯片制造的工艺？案例中芯国际的芯片制程工艺；如何在高端制造业上发力，进行自主研发？案例华为芯片断供。
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四、教学反思
本节课通过讲授数据通路的基本概念、构成、指令的执行流程，让学生全方位地了解CPU的设计特点；进而引导学生学习了解芯片制造的难点。在讲解与讨论的过程中加入了两个思政案例，一个是中芯国际的芯片制程工艺，另一个是华为芯片断供。在教学过程中，学生讨论积极、对芯片的设计与制造十分感兴趣，他们通过讨论这两个案例，加深了对我国芯片业现状的理解；从教师的角度看，则进一步培养学生的敬业精神、职业素养和工匠精神、并逐步培养学生科技兴国的抱负与实现中国梦的爱国情怀，整体教学取得了良好的效果。
五、案例
01
案例1：中芯国际的芯片制程工艺
（一）案例简介
在全球芯片代工市场中，绝大部分的芯片代工市场份额都被台积电、三星所垄断，因为台积电、三星拥有最为先进的芯片制造技术，在2020年，台积电、三星更是会进入到5nm芯片工艺时代，反观中国大陆地区最大的芯片代工巨头—中芯国际，直到2019年年底才正式开始量产14nm芯片，据透露，目前中芯国际已经接下了华为14nm超级芯片大单，同时在近日也正式向华为交出了第一批14nm芯片，更重要的是，中芯国际14nm芯片工艺正式量产，意味着中芯国际所拥有的芯片制造工艺就能够直接满足国内95%的芯片制造需求，极大的缓解国产芯片在制造领域的困境。
除了在14nm芯片工艺上，不断传来好消息以外，目前中芯国际也正在研发全新一代N+1、N+2芯片工艺，根据中芯国际CEO梁孟松描述：“N+1芯片工艺相较于目前的14nm，不仅仅在性能方面提升了20%，同时在功耗方面也直接降低了57%，逻辑面积直接缩小了63%，晶体管密度更是提升了近1倍。而N2+芯片工艺则会面向更高性能的芯片，”其中梁孟松也更是重点提到，目前中芯国际N+1、N+2芯片工艺都不会采用EUV工艺，再等到相关EUV光刻机设备就绪后，中芯国际方面会直接将N+2芯片工艺直接转向EUV工艺，进一步提升中芯国际的芯片工艺制造水平。
回顾台积电在7nm芯片工艺的发展史，就能够看到，台积电其实在7nm芯片工艺上共有三次技术迭代，他们分别为：“低功耗的N7、高性能的N7P、使用EUV工艺的N7+”，前两代的7nm芯片工艺都没有使用高端EUV光刻机设备，唯独N7+使用了EUV工艺，所以没有EUV光刻机设备，中芯国际同样也能够进入到7nm芯片工艺时代，但对于7nm EUV芯片工艺则依旧需要依赖高端EUV光刻机设备。
据悉，中芯国际为了能够加快芯片工艺研发以及产能提升，今年中芯国际将会加大研发支出，用于研发、建设晶圆厂，投资金额更是高达31亿美元（约人民币216亿元），在上海（20亿美元）、北京（5亿美元）建设12英寸圆晶厂。
资料来源：腾讯新闻
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（二）案例点评
适用范围：本案例主要适用于计算机硬件基础、计算机组成原理等课程。本案例是一个描述中国芯片制造工艺与国际顶级芯片制造工艺之间的差距的案例，其教学目的在于使学生对我国芯片制造的现状更清晰、准确和透彻地理解，引导学生树立精益求精，努力学习科学技术提升国家实力的精神。
思政元素：新中国很早就意识到了半导体产业的巨大潜力，投入资源建立了初级的半导体产业。以光刻机为例，中国1978年开发5微米制程半自动光刻机，此后，电子工业部45所、上海光机所、中科院光电所、上海微电子等单位持续推出多个版本的光刻机。与自身相比，中国芯片产业并未停滞，2019年生产集成电路2018.2亿个，40年来增长上万倍。然而，由于芯片制造相关的基础科研能力不足，制程从微米深入纳米后，中国无法跟上世界顶尖企业的发展步伐，缺少足够的市场竞争力，差距逐渐拉大。对于目前中国的芯片困境，中国工程院院士邬贺铨表示：“我国芯片受制于人，其中最大的原因是我们的工业基础——包括精密制造、精细化工、精密材料等方面的落后。”本案例通过比较中芯国际和台积电的芯片制造工艺，促使学生了解我国芯片发展的现状，从而培养其踏踏实实学技术、沉下心来做基础研究的心态；并使学生意识到只有掌握了核心技术，才能使自己的国家才在关键技术上有自主权和话语权。
课程思政教学目标：（1）通过案例讨论，让学生了解我国芯片发展的现状，从而培养其形成科学精神、敢于探究的勇气、一丝不苟的职业素养和专业专注的工程师品格。（2）使学生意识到只有掌握了核心技术，才能使自己的国家才在关键技术上有自主权和话语权。
相关教学经验：与时事紧密联系，充分将专业知识与实践结合，引导学生理论联系实际，学会发散性思维。教师在课堂讲授过程中，首先要注意课程知识与思政元素的结合，避免顾此失彼；其次，在从课程知识过渡到思政元素的过程中，要注意语气和情绪的自然，要注意照顾学生的听课情绪，调动学生积极参与课堂讨论；这不仅扎实了课本知识，还深入了解了思政时事，扩充了学生的知识面。最后，通过案例讨论，引导学生思考如何提升我国的芯片制造工艺；课堂上，学生更加积极地发表自己的言论。学生对芯片技术有了更深刻的了解，同时学生的自主学习技术来提升国家实力的感悟也提升了。
02
案例2：华为芯片断供(略)
（一）案例简介
2019年5月16日，美国商务部以国家安全为由，将华为及其70家附属公司列入管制“实体名单”，禁止美国企业向华为出售相关技术和产品。封杀令一出，世界哗然。时隔一年，2020年5月15日，美国商务部发布公告，严格限制华为使用美国技术和软件在美国境外设计和制造半导体。此次禁令的核心在于，任何使用美国软件或美国制造设备为华为生产产品的行为都是被禁止的，都需要获得许可证。
美国对华为的封杀升级，同样挑战了国际供应链和产业链的底线。批评人士称，美国此轮制裁不仅是对华为“处以极刑”，更会严重扰乱全球芯片市场及相关行业。芯片设计公司通常利用美国开发的电子设计自动化工具，而在先进半导体制造厂中，采用结合美国技术的芯片制造设备更是再普通不过的事情。美国宣布的禁令主要针对华为，但影响远超过华为本身。
2020华为开发者大会上，华为以这样的开场白透露出意味深长的信息。在华为消费者业务软件部总裁王成录看来，芯片问题反而给了企业反思，没有选择就是最好的选择。限制反而让大家有一个非常好的机会，危、机并存。
“困难是一定有的，但我更愿意看到它积极的一面，正是因为这样的限制，我相信中国所有的行业都该清醒了，我做软件20多年，有发自内心的感触。我们不能说中国的高科技行业不繁荣，因为那么多所谓高科技企业进入到世界500强，但真正看一下，这样的‘枝繁叶茂’是非常危险的，瞬间就可以被推倒。为什么？因为我们没有‘根’。所以从这个角度来看，芯片制裁这种事反而给了中国产业界去重新构建的一个绝好机会，没有选择就是最正确的选择。”王成录说。在芯片层面，华为轮值董事长郭平表示，前端还有芯片制造工艺、制造设备和原材料，是美国约束华为的地方。“对我们来说，会继续保持对海思的投资，同时会帮助前端的伙伴完善和建立自己的能力。我相信若干年后我们会有一个更强大的海思。”
据日经新闻报道，中芯国际正测试非美国设备的生产能力，预计今年底将在完全不使用美国设备的情况下，试产40纳米芯片，并计划在3年内生产更先进的28纳米芯片。
“曾经，我们在很多方面，希望能够用更省事的办法解决问题，所谓‘造不如买，买不如租’。实践证明，核心技术是买不来的。中国芯片技术和产业的‘短板’最终还是需要中国人踏实创新来解决。”中国工程院院士、中国科学院计算技术研究所研究员倪光南表示，从这个意义上来说，华为事件是全民的“警醒剂”，有积极的一面。
在倪光南看来，目前中国的短板主要是芯片、操作系统、工业软件以及大型基础软件方面。如果能够整合国内资源，利用好人才和市场优势，突破这些短板并不会需要很长时间。不过，倪光南也指出：“发展集成电路产业，要有长期的思想准备和投入，不能指望短短几年就获得回报，真正把集成电路产业发展起来，恐怕还要一二十年的时间，我们要有决心，也要有定力，要把行业短板补齐，踏踏实实坚持做下去。”
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（二）案例点评
适用范围：本案例主要适用于计算机硬件基础、计算机组成原理等课程。本案例是一个描述美国严格限制华为使用美国技术、软件、制造设备来封锁华为获得芯片的案例，其教学目的在于让学生了解华为目前的现状和困境，引导学生培养踏实创新的学习精神，和努力投身建设和支撑国家重要企业的民族精神与家国情怀。
思政元素：习近平总书记关于很多“卡脖子”技术根源问题的论断十分深刻。改革开放以来，我国产业链积极融入全球产业链，取得了巨大的经济成就，然而在创新链布局方面相对滞后，存在原始创新不足这块短板。过去很长一段时间，我国处于全球产业链的中下游，在科技领域以跟跑为主，所以在创新链的上游投入较少。如今，我国一些前沿领域开始进入并跑、领跑阶段，为了在国际竞争合作中占据主动地位，我们必须把原始创新能力提升摆在更加突出的位置。
美国接连制裁华为背景下，加快发展自有核心技术的重要性突显。国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》强调集成电路产业和软件产业是信息产业的核心，是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量。有消息称，对于第三代半导体产业的发展，政府将给予更高的优先权，直到真正实现我国半导体产业的独立自主。本案例通过列举美国自2019年以来对华为实施的一系列制裁，促使学生了解我国具有代表性的优秀企业的发展面临的局面和困境，从而培养其踏实创新学习技术；并投身于国家重要企业的精神，使学生具有民族自豪感、使命感和家国情怀。
课程思政教学目标：（1）通过案例讨论，让学生了解我国芯片技术和产业的短板，从而培养其反思造成华为危机的原因、培养其踏实创新学习技术的心态。（2）激励学生努力学习高精尖的知识与技术，为国家的硬件事业而奋斗的民族自豪感和爱国情怀。
相关教学经验：与时事紧密联系，充分将专业知识与实践结合，引导学生理论联系实际，学会发散性思维。教师在课堂讲授过程中，首先要注意课程知识与思政元素的结合，避免顾此失彼；其次，在从课程知识过渡到思政元素的过程中，要注意语气和情绪的自然，要注意照顾学生的听课情绪，调动学生积极参与课堂讨论；这不仅扎实了课本知识，还深入了解了思政时事，扩充了学生的知识面。最后，通过案例讨论，引导学生思考如何提升我国企业的核心竞争力和中国制造的水平。课堂上，学生更加积极地发表自己的言论。学生对中国先进企业的现状有了更深刻的了解，同时也培养了学生努力奋斗，并投身中国重要企业的民族自豪感和爱国情怀。
图文来源 | 郑麟
编辑 | 郭春兰、朱月湘
审核 | 洪秀秀 蔡玲如