Tietokonetekniikka - Computer engineering

Computer Engineering ( CoE tai CPE ) on haara engineering , joka yhdistää useita aloja tietotekniikassa ja sähkötekniikan kehittämiseen vaadittu tietokonelaitteiston ja ohjelmiston . Tietokoneinsinööreillä on yleensä sähkötekniikan (tai sähkötekniikan ), ohjelmistosuunnittelun ja laitteisto-ohjelmistointegraation koulutus vain ohjelmistosuunnittelun tai sähkötekniikan sijasta . Tietokone insinöörit ovat mukana monissa laitteistojen ja ohjelmistojen näkökohtia computing , suunnittelusta yksittäisten mikro , mikroprosessorit , henkilökohtaiset tietokoneet , ja supertietokoneiden , että piirien suunnittelussa . Tämä tekniikan ala keskittyy paitsi tietokonejärjestelmien toimintaan myös siihen, miten ne integroituvat suurempaan kuvaan.

Tavanomainen tehtäviä, joihin tietokone insinöörit ovat kirjallisesti ohjelmiston ja ohjelmiston ja sulautettujen mikro , suunnittelu VLSI -sirut , suunnittelussa analoginen anturit , suunnittelussa sekoitettu signaali piirilevyjä , ja suunnittelemalla käyttöjärjestelmissä . Tietokoneinsinöörit sopivat myös robotiikkatutkimukseen , joka perustuu vahvasti digitaalisten järjestelmien käyttöön sähköjärjestelmien, kuten moottoreiden , tietoliikenteen ja antureiden, ohjaamiseen ja valvontaan .

Monissa korkea-asteen oppilaitoksissa tietotekniikan opiskelijat saavat valita syvällisempien opintojen alueita nuorempana ja vanhempana vuotena, koska tietokoneiden suunnittelussa ja soveltamisessa käytettävät tiedot ovat laajasti perustutkinnon ulkopuolella . Muut oppilaitokset voivat vaatia insinööriopiskelijoita suorittamaan yhden tai kahden vuoden yleisen tekniikan, ennen kuin ne ilmoittavat tietotekniikan ensisijaiseksi painopisteekseen.

Tämä henkilökohtaisessa tietokoneessa käytettävä tietokoneen emolevy on tulos tietotekniikan ponnisteluista.

Historia

The Difference Engine , ensimmäinen mekaaninen tietokone.

ENIAC , ensimmäinen elektroninen tietokone.

Tietotekniikan alkoi 1939, kun John Vincent Atanasoff ja Clifford Berry alkoi kehittää maailman ensimmäisen sähköisen digitaalisen tietokoneen kautta fysiikan , matematiikan ja sähkötekniikka . John Vincent Atanasoff oli aikoinaan fysiikan ja matematiikan opettaja Iowan osavaltion yliopistossa ja Clifford Berry, joka oli valmistunut sähkötekniikasta ja fysiikasta. Yhdessä he loivat Atanasoff-Berry-tietokoneen , joka tunnetaan myös nimellä ABC ja jonka valmistuminen kesti 5 vuotta. Vaikka alkuperäinen ABC purettiin ja hylättiin 1940 -luvulla, kunnianosoitus tehtiin myöhäisille keksijöille, mutta kopio ABC: stä tehtiin vuonna 1997, jolloin tutkijoiden ja insinöörien tiimi kesti neljä vuotta ja 350 000 dollaria.

Nykyaikainen henkilökohtainen tietokone syntyi 1970 -luvulla, kun puolijohdetekniikassa oli tehty useita läpimurtoja . Näitä ovat ensimmäisenä arkipäivänä transistori mukaan William Shockley , John Bardeen ja Walter Brattain on Bell Labs vuonna 1947 piin pinnan passivointi prosessi (kautta terminen hapetus ) mukaan Mohamed Atalla Bell Labs 1957 monoliittinen integroitu piiri siru Robert Noyce on Fairchild Semiconductor 1959, metalli-oksidi-puolijohde-FET-transistori (MOSFET, tai MOS-transistori) Mohamed Atalla ja Dawon Kahng Bell Labs 1959, ja yhden sirun mikroprosessori ( Intel 4004 ) mukaan Federico Faggin , Marcianuksen Hoff , Masatoshi Shima ja Stanley Mazor klo Intelin vuonna 1971.

Tietokonetekniikan koulutuksen historia

Ensimmäisessä tietotekniikan koulutusohjelma Yhdysvalloissa perustettiin vuonna 1971 nimellä Case Western Reserve University in Cleveland , Ohio . Vuodesta 2015 lähtien Yhdysvalloissa oli 250 ABET -akkreditoitua tietotekniikkaohjelmaa. Euroopassa tietotekniikan koulujen akkreditoinnista vastaavat useat EQANIE -verkostoon kuuluvat virastot . Koska insinööreille, jotka voivat samanaikaisesti suunnitella laitteistoja, ohjelmistoja , laiteohjelmistoja ja hallita kaikkia teollisuudessa käytettäviä tietokonejärjestelmiä , lisääntyvät työvaatimukset , jotkut korkea -asteen oppilaitokset ympäri maailmaa tarjoavat kandidaatin tutkinnon, jota yleisesti kutsutaan tietotekniikkaan. Sekä tietotekniikan että sähkötekniikan ohjelmat sisältävät analogisen ja digitaalisen piirin suunnittelun opetussuunnitelmaansa. Kuten useimmilla tekniikan aloilla, matematiikan ja luonnontieteiden hyvä tuntemus on välttämätöntä tietokoneinsinööreille.

Koulutus

Joissakin yliopistoissa tietotekniikkaa kutsutaan tietotekniikaksi ja tekniikaksi . Useimmat lähtötason tietotekniikkatehtävät edellyttävät vähintään kandidaatin tutkintoa tietotekniikasta (tai tietotekniikasta ja tekniikasta). Tyypillisesti on opittava joukko matematiikkaa , kuten laskenta , algebra ja trigonometria, sekä tietotekniikan luokat. Joskus sähkötekniikan tutkinto hyväksytään näiden kahden alan samankaltaisuuden vuoksi. Koska laitteisto -insinöörit työskentelevät yleensä tietokoneohjelmistojärjestelmien kanssa, tarvitaan vahvaa taustaa tietokoneohjelmoinnissa. BLS: n mukaan "tietotekniikan pääaine on samanlainen kuin sähkötekniikka, mutta opetussuunnitelmaan on lisätty joitakin tietotekniikan kursseja". Jotkut suuret yritykset tai erikoistuneet työpaikat edellyttävät maisterin tutkintoa.

Tietokoneinsinöörien on myös tärkeää pysyä nopeassa tekniikan kehityksessä. Siksi monet jatkavat oppimista koko uransa ajan. Tästä voi olla apua, varsinkin kun on kyse uusien taitojen oppimisesta tai olemassa olevien taitojen parantamisesta. Esimerkiksi, kun virheen korjaamisesta aiheutuvat suhteelliset kustannukset kasvavat sitä mukaa kuin ne ovat ohjelmistokehityssyklin aikana, laatukoodin kehittämiselle ja testaamiselle voidaan saada enemmän kustannussäästöjä mahdollisimman pian ja erityisesti ennen julkaisua.

Ammatti: Tietokoneinsinööri

Henkilöä, jolla on tietotekniikan ammatti, kutsutaan tietokoneinsinööriksi.

Sovellukset ja käytäntö

Tietokonetekniikassa on kaksi pääpainoa: laitteisto ja ohjelmisto.

Tietokonelaitteistot

Mukaan BLS Job näkymät työllisyyden tietokonelaitteiden insinöörien, odotettu kymmenen vuoden kasvu 2019-2029 atk koneistotekniikan oli arviolta 2% ja yhteensä 71100 työpaikkaa. ("Hitaampi kuin keskimäärin" omin sanoin verrattuna muihin ammateihin) ". Tämä on laskua vuodesta 2014 vuoteen 2024 BLS: n tietokonelaitteistotekniikan arvio 3% ja yhteensä 77 700 työpaikkaa." BLS -arvio 2012–2022, ja se laskee edelleen 9%: sta BLS 2010–2020 -arviossa. Järjestelmäsuunnittelu.

Tietokoneohjelmistotekniikka

Yhdysvaltain työtilastotoimiston (BLS) mukaan "tietokoneohjelmistojen ohjelmistosuunnittelijoiden ja tietokonejärjestelmien ohjelmistosuunnittelijoiden ennustetaan olevan keskimääräistä nopeammin kasvavia ammatteja" Tietokoneohjelmistotuotannon odotettu kymmenen vuoden kasvu vuodesta 2014 oli arvio seitsemäntoista prosenttia, ja samana vuonna oli yhteensä 1 114 000 työpaikkaa. Tämä on laskenut vuodesta 2012 vuoteen 2022, jolloin BLS -arvio on 22% ohjelmistokehittäjille. Ja edelleen 30%: n 2010–2020 BLS -arviosta. Lisäksi kasvava huoli kyberturvallisuudesta nostaa tietokoneohjelmistotekniikan korkealle kaikkien alojen keskimääräisen kasvuvauhdin yläpuolelle. Osa työstä kuitenkin ulkoistetaan ulkomaille. Tästä johtuen työpaikkojen kasvu ei ole yhtä nopeaa kuin viimeisen vuosikymmenen aikana, koska työpaikat, jotka olisivat menneet Yhdysvaltain tietokoneohjelmistosuunnittelijoille, siirtyisivät sen sijaan tietokoneohjelmistosuunnittelijoille Intian kaltaisissa maissa. Lisäksi BLS Job Outlook for Computer Programmers, 2014–24, on −8% (lasku heidän sanojensa mukaan) ja Job Outlook, 2019-29 -9% (Decline) niille, jotka ohjelmoivat tietokoneita (eli sulautettuja järjestelmiä) ), jotka eivät ole tietokoneohjelmistojen kehittäjiä. Lisäksi ohjelmistoalan naiset ovat vähentyneet vuosien aikana jopa nopeammin kuin muut tekniikan alat.

Tietokonetekniikan lisensointi ja harjoittelu

Tietokonetekniikkaa harjoitetaan yleensä suurissa tuotekehitysyrityksissä, eikä tällaista käytäntöä välttämättä tarvitse lisensoida. Riippumattomiin konsultteihin, jotka mainostavat tietotekniikkaa, kuten mitä tahansa tekniikkaa, voidaan kuitenkin soveltaa valtion lakeja, jotka rajoittavat ammatillisen insinööritoiminnan vain niille, jotka ovat saaneet asianmukaisen lisenssin. Kansallinen tekniikan ja maanmittauslautakunnan neuvosto (NCEES) tarjosi ensimmäisen kerran tietotekniikan suunnittelutekniikan periaatteet ja käytännön vuonna 2003.

Erikoisalueet

Tietokonetekniikan alalla on monia erikoisaloja.

Prosessorin suunnittelu

Prosessorin suunnitteluprosessi sisältää käskyjoukon ja tietyn suoritusparadigman (esim. VLIW tai RISC) valitsemisen ja johtaa mikroarkkitehtuuriin, joka voidaan kuvata esim. VHDL: ssä tai Verilogissa. CPU -suunnittelu on jaettu seuraavien komponenttien suunnitteluun: datatiet (kuten ALU: t ja putkilinjat), ohjausyksikkö: logiikka, joka ohjaa datapolkuja, muistikomponentit, kuten rekisteritiedostot, välimuistit, kellopiirit, kuten kello -ohjaimet, PLL: t, kellojen jakeluverkot , pad -lähetin -vastaanotinpiiri, logiikkaportin solukirjasto, jota käytetään logiikan toteuttamiseen.

Koodaus, salaus ja tietosuoja

Lähdekoodi kirjoitettu C -ohjelmointikieltoon.

Tietokoneinsinöörit työskentelevät koodauksen, salauksen ja tietosuojan parissa kehittääkseen uusia menetelmiä suojatakseen erilaisia ​​tietoja, kuten digitaalisia kuvia ja musiikkia, pirstoutumista, tekijänoikeusloukkauksia ja muita väärentämisen muotoja. Esimerkkejä ovat langattoman viestinnän, moniantennijärjestelmien, optisen lähetyksen ja digitaalisten vesileimojen parissa työskentely .

Viestintä ja langattomat verkot

Ne, jotka keskittyvät viestintään ja langattomiin verkkoihin, tietoliikennejärjestelmien ja -verkkojen (erityisesti langattomien verkkojen), modulaation ja virheenhallinnan koodauksen sekä informaatioteorian kehitykseen. Nopea verkon suunnittelu , häiriönpoisto ja -modulaatio, vikasietoisten järjestelmien suunnittelu ja analysointi sekä tallennus- ja siirtojärjestelmät ovat kaikki osa tätä erikoisuutta.

Kääntäjät ja käyttöjärjestelmät

Windows 10, esimerkki käyttöjärjestelmästä .

Tämä erikoisuus keskittyy kääntäjien ja käyttöjärjestelmien suunnitteluun ja kehittämiseen. Tämän alan insinöörit kehittävät uutta käyttöjärjestelmäarkkitehtuuria, ohjelma -analyysitekniikoita ja uusia tekniikoita laadun varmistamiseksi. Esimerkkejä tämän alan työstä ovat linkin jälkeisen koodinmuunnosalgoritmin kehittäminen ja uuden käyttöjärjestelmän kehittäminen.

Laskennallinen tiede ja tekniikka

Laskennallinen tiede ja tekniikka on suhteellisen uusi tieteenala. Sloan Career Cornerstone Centerin, tällä alalla työskentelevien henkilöiden, mukaan "laskennallisia menetelmiä käytetään muotoilemaan ja ratkaisemaan monimutkaisia ​​matemaattisia ongelmia tekniikan sekä fysiikan ja yhteiskuntatieteissä. Esimerkkejä ovat lentokoneiden suunnittelu, puolijohdekiekkojen nanometristen ominaisuuksien plasmaprosessointi , VLSI -piirisuunnittelu , tutkanilmaisinjärjestelmät, ioninsiirto biologisten kanavien kautta ja paljon muuta. "

Tietokoneverkot, mobiilitietokoneet ja hajautetut järjestelmät

Tällä erikoisuudella insinöörit rakentavat integroituja ympäristöjä tietojenkäsittelyyn, viestintään ja tiedonsaantiin . Esimerkkejä ovat jaetun kanavan langattomat verkot, mukautuva resurssienhallinta eri järjestelmissä ja palvelun laadun parantaminen mobiili- ja ATM-ympäristöissä. Joitakin muita esimerkkejä ovat työt langattomissa verkkojärjestelmissä ja nopeissa langallisissa Ethernet -klusterin järjestelmissä.

Tietokonejärjestelmät: arkkitehtuuri, rinnakkaiskäsittely ja luotettavuus

Esimerkki tietokoneen suorittimesta.

Tietokonejärjestelmissä työskentelevät insinöörit työskentelevät tutkimusprojekteissa, jotka mahdollistavat luotettavat, suojatut ja tehokkaat tietokonejärjestelmät. Tähän kenttään kuuluvat hankkeet, kuten prosessorien suunnittelu monisäikeisille ja rinnakkaiskäsittelyille. Muita esimerkkejä tämän alan työstä ovat uusien teorioiden, algoritmien ja muiden työkalujen kehittäminen, jotka lisäävät suorituskykyä tietokonejärjestelmissä.

Tietokonearkkitehtuuri sisältää suorittimen suunnittelun , välimuistihierarkian asettelun, muistin järjestämisen ja kuormituksen tasapainottamisen .

Tietokonenäkö ja robotiikka

Esimerkki humanoidirobotista .

Tällä erikoisuudella tietokoneinsinöörit keskittyvät visuaalisen havaitsemistekniikan kehittämiseen ympäristön aistimiseksi, ympäristön esittämiseksi ja ympäristön manipuloimiseksi. Kerätty kolmiulotteinen tieto toteutetaan sitten erilaisten tehtävien suorittamiseksi. Näitä ovat parannettu ihmisen mallinnus, kuvaviestintä ja ihmisen ja tietokoneen väliset rajapinnat sekä laitteet, kuten erikoiskamerat, joissa on monipuoliset näköanturit.

Sisällytetty järjestelmä

Esimerkkejä laitteista, jotka käyttävät sulautettuja järjestelmiä.

Tällä alalla työskentelevät ihmiset suunnittelevat tekniikkaa järjestelmien nopeuden, luotettavuuden ja suorituskyvyn parantamiseksi. Sulautettuja järjestelmiä löytyy monista laitteista pienestä FM -radiosta avaruussukkulaan. Sloan Cornerstone Career Centerin mukaan sulautettujen järjestelmien jatkuva kehitys sisältää "automatisoituja ajoneuvoja ja laitteita etsintä- ja pelastusoperaatioihin, automatisoituja kuljetusjärjestelmiä ja ihmisen ja robotin koordinointia avaruudessa olevien laitteiden korjaamiseen". Vuodesta 2018, tietokone sulautettujen Computer Engineering erikoisalojen sisältävät system-on-chip suunnittelun, arkkitehtuuri reuna Computing ja esineiden internetiin .

Integroidut piirit, VLSI -suunnittelu, testaus ja CAD

Tämä tietotekniikan erikoisala edellyttää riittävää elektroniikan ja sähköjärjestelmien tuntemusta. Tällä alalla työskentelevät insinöörit parantavat seuraavan sukupolven erittäin suurten integroitujen ( VLSI ) piirien ja mikrojärjestelmien nopeutta, luotettavuutta ja energiatehokkuutta . Esimerkki tästä erikoisuudesta on työ, joka on tehty VLSI -algoritmien ja arkkitehtuurin tehonkulutuksen vähentämiseksi.

Signaalin, kuvan ja puheen käsittely

Tämän alan tietokoneinsinöörit kehittävät parannuksia ihmisen ja tietokoneen välisessä vuorovaikutuksessa, mukaan lukien puheentunnistus ja synteesi, lääketieteellinen ja tieteellinen kuvantaminen tai viestintäjärjestelmät. Muita töitä tällä alalla ovat tietokonenäön kehittäminen, kuten ihmisen kasvojen piirteiden tunnistaminen .

Kvanttilaskenta

Katso myös

Aiheeseen liittyvät kentät

Yhdistykset

• Tietokoneinsinöörien ja -teknikkojen yhdistys
• IEEE Computer Society
• Tietokoneiden yhdistys

Viitteet

Ulkoiset linkit

• Tietokonetekniikkaan liittyvä media Wikimedia Commonsissa