Các nguyên lý sáng tạo phát triển máy vi tính

  • Số trang: 27 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 15 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CNTT – CAO HỌC K22 - HTTT ________________ BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đề tài: CÁC NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH Giảng viên hướng dẫn: GS.TSKH. Hoàng Kiếm Học viên thực hiện: TP. HCM, năm 2012 Lê Hoàng Đức PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mở đầu Không ai có thể phủ nhận vai trò quan trọng của Công nghệ thông tin trong cuộc sống hiện nay. Công nghệ thông tin là ngành khoa học luôn phát triển, nhất là về mặt công nghệ . Bài thu hoạch này phân tích các nguyên lý sáng tạo được vận dụng trong việc phát triển máy vi tính, công cụ hỗ trợ con người trên mọi lĩnh vực. Nội dung trình bày bài thu hoạch gồm 2 phần : Phần 1 : Trình bày 40 nguyên lý sáng tạo cơ bản. Phần 2 : Trình bày lịch sử phát triển của máy vi tính, các nguyên lý sáng tạo áp dụng cho việc phát triển máy vi tính. Xin được gửi lời cảm ơn đến Giáo sư - Tiến sỹ Khoa Học Hoàng Văn Kiếm, người đã tận tâm truyền đạt những kiến thức nền tảng cơ bản về môn học “Phương pháp nhiên cứu khoa học trong tin học” và đã truyền cho em động lực nghiên cứu về vấn đề khoa học để hoàn thành bài thu hoạch này. NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -1- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mục Lục Nội dung Trang PHẦN 1 : CÁC NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO CƠ BẢN ................................................................................................... 4 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO : .......................................................................................... 4 1.2 PHÂN TÍCH : ............................................................................................................................................. 6 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 2.1 NGUYÊN TẮC PHÂN NHỎ.................................................................................................................................. 6 NGUYÊN TẮC “TÁCH KHỎI” .............................................................................................................................. 6 NGUYÊN TẮC PHẨM CHẤT CỤC BỘ ..................................................................................................................... 6 NGUYÊN TẮC PHẢN ĐỐI XỨNG ........................................................................................................................ 6 NGUYÊN TẮC KẾT HỢP ..................................................................................................................................... 6 NGUYÊN TẮC VẠN NĂNG ................................................................................................................................. 6 NGUYÊN TẮC “CHỨA TRONG” .......................................................................................................................... 6 NGUYÊN TẮC PHẢN TRỌNG LƯỢNG ................................................................................................................... 7 NGUYÊN TẮC GÂY ỨNG SUẤT SƠ BỘ .................................................................................................................. 7 NGUYÊN TẮC THỰC HIỆN SƠ BỘ ........................................................................................................................ 7 NGUYÊN TẮC DỰ PHÒNG ................................................................................................................................. 7 NGUYÊN TẮC ĐẲNG THẾ .................................................................................................................................. 7 NGUYÊN TẮC ĐẢO NGƯỢC ............................................................................................................................... 7 NGUYÊN TẮC CẦU (TRÒN) HÓA ......................................................................................................................... 7 NGUYÊN TẮC LINH ĐỘNG ................................................................................................................................. 7 NGUYÊN TẮC GIẢI “THIẾU” HOẶC “THỪA” .......................................................................................................... 8 NGUYÊN TẮC CHUYỂN SANG CHIỀU KHÁC ............................................................................................................ 8 NGUYÊN TẮC SỬ DỤNG CÁC DAO ĐỘNG CƠ HỌC .................................................................................................. 8 NGUYÊN TẮC TÁC ĐỘNG THEO CHU KỲ ............................................................................................................... 8 NGUYÊN TẮC LIÊN TỤC TÁC ĐỘNG CÓ ÍCH ............................................................................................................ 8 NGUYÊN TẮC “VƯỢT NHANH” .......................................................................................................................... 9 NGUYÊN TẮC BIẾN HẠI THÀNH LỢI ..................................................................................................................... 9 NGUYÊN TẮC QUAN HỆ PHẢN HỒI...................................................................................................................... 9 NGUYÊN TẮC SỬ DỤNG TRUNG GIAN.................................................................................................................. 9 NGUYÊN TẮC TỰ PHỤC VỤ ............................................................................................................................... 9 NGUYÊN TẮC SAO CHÉP (COPY) ........................................................................................................................ 9 NGUYÊN TẮC “RẺ” THAY CHO “ĐẮT” ................................................................................................................. 9 THAY THẾ SƠ ĐỒ CƠ HỌC................................................................................................................................. 9 SỬ DỤNG CÁC KẾT CẤU KHÍ VÀ LỎNG................................................................................................................ 10 SỬ DỤNG VỎ DẺO VÀ MÀNG MỎNG................................................................................................................. 10 SỬ DỤNG CÁC VẬT LIỆU NHIỀU LỖ.................................................................................................................... 10 NGUYÊN TẮC THAY ĐỔI MÀU SẮC .................................................................................................................... 10 NGUYÊN TẮC ĐỒNG NHẤT.............................................................................................................................. 10 NGUYÊN TẮC PHÂN HỦY HOẶC TÁI SINH CÁC PHẦN ............................................................................................. 10 THAY ĐỔI CÁC THÔNG SỐ LÝ HÓA CỦA ĐỐI TƯỢNG ............................................................................................. 11 SỬ DỤNG CHUYỂN PHA.................................................................................................................................. 11 SỬ DỤNG SỰ NỞ NHIỆT ................................................................................................................................. 11 SỬ DỤNG CÁC CHẤT OXY HÓA MẠNH ............................................................................................................... 11 THAY ĐỔI ĐỘ TRƠ ........................................................................................................................................ 11 SỬ DỤNG CÁC VẬT LIỆU HỢP THÀNH (COMPOSITE) ............................................................................................. 11 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH : ....................................................................................................... 12 MÁY VON NEUMANN THẾ HỆ ĐẦU TIÊN ...................................................................................................................... 12 NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -2- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC THẾ HỆ THỨ HAI: TRANZITO ...................................................................................................................................... 15 SAU 1960: THẾ HỆ THỨ BA VỀ SAU ............................................................................................................................ 17 2.2 CÁC NGUYÊN LÝ ĐƯỢC ỨNG DỤNG SÁNG TẠO ĐỂ PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH : ...................................... 19 2.3 KẾT LUẬN : ............................................................................................................................................. 25 NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -3- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC PHẦN 1 : CÁC NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO CƠ BẢN 1.1 Tổng quan về các nguyên lý sáng tạo : Theo Atshuler , quy luật phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay, cũng như các ngành khác, đều tuân theo các nguyên lý sáng tạo cơ bản. Đó là 40 nguyên lý sáng tạo mà ông đã đúc kết trong “Lý thuyết giải các bài toán sáng chế”(TRIZ), đã được GS.TS Phan Dũng biên soạn thành tiếng Việt. 40 nguyên lý sáng tạo này bao gồm: - Nguyên tắc phân nhỏ. - Nguyên tắc tách khỏi - Nguyên tắc phẩm chất cục bộ - Nguyên tắc phản đối xứng - Nguyên tắc kết hợp - Nguyên tắc vạn năng - Nguyên tắc chứa trong - Nguyên tắc phản trọng lượng - Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ - Nguyên tắc thực hiện sơ bộ - Nguyên tắc dự phòng - Nguyên tắc đẳng thế - Nguyên tắc đảo ngược - Nguyên tắc cầu hóa - Nguyên tắc linh động NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -4- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - Nguyên tắc giải “thiếu” hoặc “thừa” - Nguyên tắc chuyển sang chiều khác - Nguyên tắc sử dụng các dao động cơ học - Nguyên tắc tác động theo chu kỳ - Nguyên tắc liên tục tác động có ích - Nguyên tắc “vượt nhanh” - Nguyên tắc biến hại thành lợi - Nguyên tắc quan hệ phản hồi - Nguyên tắc sử dụng trung gian - Nguyên tắc tự phục vụ - Nguyên tắc sao chép - Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt” - Nguyên tắc thay thế sơ đồ cơ học - Nguyên tắc sử dụng các kết cấu khí và lỏng - Nguyên tắc sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng - Nguyên tắc sử dụng vật liệu nhiều lỗ - Nguyên tắc thay đổi màu sắc - Nguyên tắc đồng nhất - Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần - Nguyên tắc thay đổi các thông số hóa lý của đối tượng - Nguyên tắc sử dụng sự chuyển pha - Nguyên tắc sử dụng sự nở nhiệt - Nguyên tắc sử dụng chất oxy hóa mạnh NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -5- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - Nguyên tắc thay đổi độ trơ - Nguyên tắc sử dụng vật liệu hợp thành composit 1.2 Phân tích : 1. Nguyên tắc phân nhỏ a) Chia đối tượng thành các phần độc lập b) Làm đối tượng trở nên tháo lắp được c) Tăng mức độ phân nhỏ đối tượng 2. Nguyên tắc “tách khỏi” Tách phần gây “phiền phức” (tính chất “phiền phức”) hay ngược lại tách phần duy nhất “cần thiết” (tính chất “cần thiết”) ra khỏi đối tượng. 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ a) Chuyển đối tượng (hay môi trường bên ngoài, tác động bên ngoài) có cấu trúc đồng nhất thành không đồng nhất . b) Các phần khác nhau của đối tượng phải có các chức năng khác nhau. c) Mỗi phần của đối tượng phải ở trong những điều kiện thích hợp nhất đối với công việc. 4. Nguyên tắc phản đối xứng Chuyển đối tượng có hình dạng đối xứng thành không đối xứng (nói chung giảm bậc đối xứng). 5. Nguyên tắc kết hợp a) Kết hợp các đối tượng đồng nhất hoặc các đối tượng dùng cho các hoạt động kế cận b) Kết hợp về mặt thời gian các hoạt động đồng nhất hoặc kế cận 6. Nguyên tắc vạn năng Đối tượng thực hiện một số chức năng khác nhau, do đó là không cần sự tham gia của đối tượng khác. 7. Nguyên tắc “chứa trong” a) Một đối tượng được đặt bên trong đối tượng khác và bản thân nó lại chứa đối tượng thứ ba … b) Một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong đối tượng khác. NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -6- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 8. Nguyên tắc phản trọng lượng a) Bù trù trọng lượng của đối tượng bằng cách gắn nó với đối tượng khác, có lực nâng. b) Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng tương tác với môi trường như sử dụng các lực thủy động, khí động … 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ Gây ứng suất trước đối với đối tượng để chống lại ứng suất không cho phép hoặc không mong muốn khi đối tượng làm việc (hoặc gây ứng suất trước để khi làm việc sẽ dùng ứng suất ngược lại) 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ a) Thực hiện trước sự thay đổi cần có, hoàn toàn hoặc từng phần đối với đối tượng. b) Cần sắp xếp đối tượng trước, sao cho chúng có thể hoạt động từ vị trí thuận lợi nhất, không mất thời gian dịch chuyển 11. Nguyên tắc dự phòng Bù đắp độ tin cậy không lớn của đối tượng bằng cách chuẩn bị các phuơng tiện báo động, ứng cứu, an toàn. 12. Nguyên tắc đẳng thế Thay đổi điều kiện làm việc để không phải nâng lên hay hạ xuống các đối tượng. 13. Nguyên tắc đảo ngược a) Thay vì hành động như yêu cầu của bài toán, hành động ngược lại (ví dụ không làm nóng mà làm lạnh đối tượng). b) Làm phần chuyển động của đối tượng (hay mội trường bên ngoài) thành đứng yên và ngược lại phần đứng yên thành chuyển động. 14. Nguyên tắc cầu (tròn) hóa a) Chuyển những phần thẳng của đối tượng thành cong, mặt phẳng thành mặt cầu, kết cấu hình hộp thành kết cấu hình cầu. b) Sử dụng các con lăn, viên bi, vòng xoắn. c) Chuyển sang chuyển động quay, sử dụng lực ly tâm. 15. Nguyên tắc linh động NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -7- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC a) Cần thay đổi các đặc trưng của đối tượng hay môi trường bên ngoài sao cho chúng tối ưu trong từng giai đoạn làm việc. b) Phân chia đối tượng thành từng phần, có khả năng dịch chuyển đối với nhau. 16. Nguyên tắc giải “thiếu” hoặc “thừa” Nếu như khó nhận được 100% hiệu quả cần thiết, nên nhận ít hơn hoặc nhiều hơn “một chút”. Lúc đó bài toán có thể trở nên đơn giản hơn và dễ giải hơn. 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác a) Những khó khăn do chuyển động (hay sắp xếp) đối tượng theo đường (một chiều) sẽ được khắc phục nếu cho đối tượng có khả năng di chuyển trên mặt phẳng (hai chiều), tương tự, những bài toán liên quan đến chuyển động (hay sắp xếp) các đối tượng trên mặt phẳng sẽ đơn giản hóa khi chuyển sang không gian (ba chiều). b) Chuyển các đối tượng có kết cấu một tầng thành nhiều tầng c) Đặt đối tượng nằm nghiêng d) Sử dụng mặt sau của diện tích cho trước e) Sử dụng các luồng ánh sáng tới diện tích bên cạnh hoặc tới mặt sau của diện tích cho trước. 18. Nguyên tắc sử dụng các dao động cơ học a) Làm đối tượng dao động b) Nếu đã có dao động tăng tần số dao động (đến tần số siêu âm) c) Sử dụng tần số cộng hưởng d) Thay vì dùng các bộ rung cơ học, dùng các bộ rung áp điện e) Sử dụng siêu âm kết hợp với trường điện từ. 19. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ a) Chuyển tác động liên tục thành tác động theo chu kỳ (xung) b) Nếu đã có tác động theo chu kỳ, hãy thay đổi chu kỳ c) Sử dụng các khoảng thời gian giữa các xung để thực hiện tác động khác 20. Nguyên tắc liên tục tác động có ích a) Thực hiện công việc một cách liên tục (tất cả các phần của đối tượng cần luôn luôn làm việc ở chế độ đủ tải). b) Khắc phục vận hành không tải và trung gian NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -8- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC c) Chuyển chuyển động tịnh tiến qua lại thành chuyển động quay 21. Nguyên tắc “vượt nhanh” a) Vượt qua những giai đoạn có hại hoặc nguy hiểm với vận tốc lớn b) Vượt nhanh để có được hiệu ứng cần thiết. 22. Nguyên tắc biến hại thành lợi a) Sử dụng những tác nhân có hại (ví dụ tác động có hại của môi trường) để thu được hiệu ứng có lợi b) Khắc phục tác nhân có hại bằng cách kết hợp nó với tác nhân có hại khác. c) Tăng cường tác nhân có hại đến mức nó không còn có hại nữa. 23. Nguyên tắc quan hệ phản hồi a) Thiết lập quan hệ phản hồi b) Nếu đã có quan hệ phản hồi, hãy thay đổi nó 24. Nguyên tắc sử dụng trung gian Sử dụng đối tượng trung gian, chuyển tiếp. 25. Nguyên tắc tự phục vụ a) Đối tượng phải tự phục vụ bằng cách thực hiện các thao tác phụ trợ, sửa chữa. b) Sử dụng phế liệu, chất thải, năng lượng dư. 26. Nguyên tắc sao chép (Copy) a) Thay vì sử dụng cái không được phép, phức tạp, đắt tiền, không tiện lợi hoặc dễ vỡ, sử dụng bản sao. b) Thay thế đối tượng hay hệ các đối tượng bằng bản sao quang học (ảnh, hình vẽ) với tỉ lệ cần thiết. c) Nếu không thể sử dụng bản sao quang học ở vùng biểu kiến (vùng ánh sáng nhìn thấy được bằng mắt thường), chuyển sang sử dụng các bản sao hồng ngoại hoặc tử ngoại. 27. Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt” Thay đối tượng đắt tiền bằng bộ các đối tượng rẻ có chất lượng kém hơn (ví dụ như về tuổi thọ) 28. Thay thế sơ đồ cơ học NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH -9- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC a) Thay thế sơ đồ cơ học bằng điện, quang, nhiệt, âm hoặc mùi vị. b) Sử dụng điện trường, từ trường và điện từ trường trong tương tác đối với đối tượng. c) Chuyển các trường đứng yên sang chuyển động, các trường cố định sang thay đổi theo thời gian, các trường đồng nhất sang có cấu trúc nhất định. d) Sử dụng các trường kết hợp với các hạt sắt từ. 29. Sử dụng các kết cấu khí và lỏng Thay cho các phần của đối tượng ở thể rắn, sử dụng các chất khí và lỏng; nạp khí, nạp chất lỏng, đệm không khí, thủy tĩnh, thủy phản lực. 30. Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng a) Sử dụng các vỏ dẻo và màng mỏng thay cho các kết cấu khối. b) Cách ly đối tượng với môi trường ngoài bên ngoài bằng các vỏ dẻo và màng mỏng. 31. Sử dụng các vật liệu nhiều lỗ a) Làm cho đối tượng có nhiều lỗ hoặc sử dụng thêm những chi tiết nhiều lỗ (miếng đệm, tấm phủ …) b) Nếu đối tượng đã có nhiều lỗ, sơ bộ tẩm nó bằng chất nào đó. 32. Nguyên tắc thay đổi màu sắc a) Thay đổi màu sắc của đối tượng hay môi trường bên ngoài. b) Thay đổi độ trong suốt của đối tượng hay môi trường bên ngoài. c) Để có thể quan sát được những đối tượng hoặc những quá trình, sử dụng các chất phụ gia màu, huỳnh quang. d) Nếu các chất phụ gia đó đã được sử dụng, dùng các nguyên tử đánh dấu. e) Sử dụng các hình vẽ, ký hiệu thích hợp. 33. Nguyên tắc đồng nhất Những đối tượng, tương tác với các đối tượng cho trước, phải được làm từ cùng một vật liệu (hoặc từ vật liệu gần về các tính chất) với các vật liệu chế tạo đối tượng cho trước. 34. Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần a) Phần đối tượng đã hoàn thành nhiệm vụ hoặc trở nên không cần thiết phải tự phân hủy (hoà tan, bay hơi…) hoặc phải biến dạng. b) Các phần mất mát của đối tượng phải được phục hồi trực tiếp trong quá trình làm việc. NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 10 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 35. Thay đổi các thông số lý hóa của đối tượng a) Thay đổi trạng thái của đối tượng b) Thay đổi nồng độ hay độ đậm đặc c) Thay đổi độ dẻo d) Thay đổi nhiệt độ, thể tích. 36. Sử dụng chuyển pha Sử dụng các hiện tượng, nảy sinh trong các quá trình chuyển pha như thay đổi thể tích, tỏa hay hấp thu nhiệt lượng … 37. Sử dụng sự nở nhiệt a) Sử dụng sự nở (hay co) nhiệt của các vật liệu b) Nếu đã dùng sự nở nhiệt, sử dụng với vật liệu có các hệ số nở nhiệt khác nhau. 38. Sử dụng các chất oxy hóa mạnh a) Thay không khí thường bằng không khí giàu Oxy. b) Thay không khí giàu Oxy bằng chính Oxy. c) Dùng các bức xạ ion hóa tác động lên không khí hoặc oxy. d) Thay oxy giàu Ôzôn (hoặc ôxy bị ion hoá) bằng chính ôzôn. 39. Thay đổi độ trơ a) Thay môi trường thông thường bằng môi trường trung hòa. b) Đưa thêm vào đối tượng các phần, các chất, phụ gia trung hòa… c) Thực hiện quá trình trong chân không. 40. Sử dụng các vật liệu hợp thành (composite) Chuyển từ các vật liệu đồng nhất sang sử dụng các vật liệu hợp thành (composite). Hay nói chung, sử dụng các loại vật liệu mới. NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 11 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC PHẦN 2 : LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH VÀ CÁC NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO VẬN DỤNG PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH. 2.1 Lịch sử phát triển máy vi tính : Trước đây việc tính toán thường do con người đảm nhiệm, những người này được gọi là Computer , khi khoa học phát triển để việc tính toán nhanh hơn, chính xác hơn và giảm thiểu sai sót do sự mệt mỏi con người, người ta phát minh ra máy tính toán ( tiền thân máy vi tính hiện nay ). Kiến trúc von Neumann đã thống nhất và định hình cho một máy vi tính mà đến tận ngày nay người ta vẫn còn tuân theo . Thành phần chủ yếu của máy vi tính là ngõ vào ( input ), ngõ ra ( output ), các luồng dữ liệu ( tập trung ở bộ xử lý ) và bộ nhớ máy tính, chúng trải qua những quá trình chọn lọc và phát triển xuyên suốt lịch sử máy vi tính. Hình 1. Kiến trúc von Neumann cho máy tính. Máy von Neumann thế hệ đầu tiên John von Neumann đã được ghi danh trong bản báo cáo được biết đến rộng rãi mô tả mẫu thiết kế EDVAC trong đó cả chương trình và dữ liệu tính toán đều được lưu trữ trong một bộ lưu trữ duy nhất. Thiết kế cơ bản này, được biểu thị trong kiến trúc von Neumann, sẽ đóng vai trò làm nền móng cho sự phát triển các thế hệ tiếp sau của ENIAC trên toàn cầu. Trong thế hệ thiết bị này, bộ nhớ tạm hoặc đang tính toán được các đường trễ âm cung cấp, những đường này sử dụng thời gian truyền âm qua một chất trung gian như thủy ngân lỏng (hoặc qua một sợi dây) để lưu dữ liệu ngắn. Khi những chuỗi xung âm thanh NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 12 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC được gửi qua một cái ống; sau một thời gian, khi xung đi đến cuối ống, mạch điện sẽ dò xem xung đó đại diện cho 1 hay 0 và làm cho máy tạo dao dộng gửi lại xung. Những máy khác sử dụng các ống Williams, trong đó tận dụng khả năng của ống phát hình ti vi để lưu trữ và truy xuất dữ liệu. Đến trước năm 1954, bộ nhớ lõi từ nhanh chóng thay thế phần lớn các dạng lưu trữ tạm thời khác, và thống trị trong lĩnh vực này cho đến giữa thập niên 1970. Chiếc máy von Neumann hoạt động được đầu tiên là Manchester "Baby" hay Máy thí nghiệm thu nhỏ (Small-Scale Experimental Machine), được Frederic C. Williams và Tom Kilburn phát triển tại Đại học Manchester vào năm 1948; sau nó là chiếc máy tính Manchester Mark I vào năm 1949, một hệ thống hoàn chỉnh, sử dụng ống Williams và bộ nhớ trống từ (magnetic drum), và cũng ra mắt thanh ghi chỉ mục (index register). Đối thủ khác cho danh hiệu "chiếc máy tính lưu trữ chương trình bằng kỹ thuật số đầu tiên" là EDSAC, được thiết kế và chế tạo tại Đại học Cambridge. Được đưa vào hoạt động chưa đầy một năm sau Manchester "Baby", nó cũng có thể giải quyết được những bài toán thật sự. Thật ra EDSAC lấy cảm hứng từ những kế hoạch của EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer - Máy tính tự động biến rời rạc điện tử), chiếc máy nối tiếp của ENIAC; những kế hoạch này đã được hoàn thiện trước khi ENIAC hoạt động tốt. Không giống như ENIAC, sử dụng xử lý song song, EDVAC sử dụng một một đơn vị xử lý đơn. Kiểu thiết kế này đơn giản hơn và là kiểu đầu tiên được hiện thực trong làn sóng mini hóa, và tăng độ tin cậy về sau này. Một số người xem Manchester Mark I / EDSAC / EDVAC là "nàng Eva" để từ đó tất cả các máy tính hiện nay đều kế thừa kiểu kiến trúc của chúng. Chiếc máy của Đại học Manchester trở thành bản mẫu đầu tiên cho Ferranti Mark I. Chiếc máy Ferranti Mark I đầu tiên được gửi đến trường Đại học vào tháng 2, 1951 và ít nhất chín cái khác đã được bán trong năm 1951 đến 1957. Chiếc máy tính lập trình được phổ thông đầu tiên ở Liên Xô được một nhóm các nhà bác học chế tạo dưới sự chỉ đạo của Sergei Alekseyevich Lebedev đến từ Viện Công nghệ điện Kiev, Liên Xô (Ukraina ngày nay). Chiếc máy tính MESM (МЭСМ, Máy tính toán điện tử nhỏ) bắt đầu vận hành vào năm 1950. Nó có khoảng 6.000 ống chân không và tiêu thụ 25 kW năng lượng. Nó có thể thực hiện xấp xỉ 3.000 phép tính một giây. Một chiếc máy đời đầu khác là CSIRAC, thiết kế của người Úc được đưa vào chạy thử nghiệm đầu tiên vào năm 1949. CSIRAC là chiếc máy tính cũ nhất vẫn còn tồn tại và là chiếc đầu tiên được dùng để chơi nhạc kỹ thuật số. Vào tháng 10 năm 1947, các giám đốc của J. Lyons & Company, một công ty phục vụ ăn uống nổi tiếng nhờ những cửa hàng trà nhưng cực kỳ quan tâm tới các kỹ thuật quản lý văn phòng mới, đã quyết định đóng một vai trò quan trọng trong việc quảng bá sự phát triển thương mại của máy tính. Đến năm 1951, máy tính LEO I đã hoạt động được NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 13 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC và thực hiện những thao tác máy tính văn phòng thường ngày đầu tiên trên thế giới. Vào tháng 11 năm 1951, công ty J. Lyons bắt đầu thực hiện công việc đánh giá bánh mì trên LEO (Lyons Electronic Office - Văn phòng Điện tử Lyons). Đó là ứng dụng kinh doanh đầu tiên được thực hiện trên một chiếc máy tính lưu trữ chương trình Vào tháng 6 năm 1951, UNIVAC I (Máy tính tự động phổ thông) được gửi đến Cục Điều tra dân số Hoa Kỳ. Remington Rand đã bán được 46 chiếc máy với trị giá mỗi chiếc hơn 1 triệu USD. UNIVAC là chiếc máy tính được 'sản xuất hàng loạt' đầu tiên; tất cả các máy tính trước đó đều thuộc loại 'chế tạo từng cái một'. Máy này sử dụng 5.200 ống chân không và tiêu thụ 125 kW năng lượng. Nó sử dụng một đường dây trễ (delay line) bằng thủy ngân có thể chứa 1.000 word của 11 chữ số thập phân cùng với dấu (word 72-bit) dùng làm bộ nhớ. Không giống như các máy IBM, nó không được trang bị bộ đọc thẻ đục lỗ mà sử dụng ngõ nhập là băng từ kim loại theo kiểu những năm 1930, khiến cho nó không tương thích với một số bộ lưu trữ dữ liệu hiện có bán vào thời gian đó. Băng giấy đục lỗ tốc độ cao và băng từ được dùng làm ngõ nhập/xuất cho những máy tính khác vào thời kỳ này. Vào năm 1952, IBM công bố chiếc Máy xử lý dữ liệu điện tử IBM 701, chiếc máy đầu tiên trong dòng máy 700/7000 thành công và là máy tính trạm IBM đầu tiên của hãng. Chiếc IBM 704, được công bố vào năm 1954, sử dụng bộ nhớ lõi từ, đã trở thành tiêu chuẩn cho những chiếc máy cỡ lớn. Ngôn ngữ lập trình cấp cao đa mục đích đầu tiên, Fortran, cũng được phát triển tại IBM để dùng cho 704 trong năm 1955 và 1956 và phát hành vào đầu năm 1957. (Mẫu thiết kế ngôn ngữ cấp cao Plankalkül năm 1945 của Konrad Zuse chưa được hiện thực vào thời điểm đó). Một nhóm người dùng tình nguyện được thành lập năm 1955 để chia sẻ phần mềm và kinh nghiệm của họ với IBM 701; nhóm này, vẫn còn tồn tại đến ngày nay, là tiền bối của mã nguồn mở sau này. IBM đã giới thiệu chiếc máy tính nhỏ và rẻ hơn vào năm 1954 mà thực tế đã cho thấy nó rất được ưa thích. Chiếc IBM 650 nặng trên 900 kg, bộ cung cấp điện đi kèm nặng khoảng 1350 kg và cả hai được đựng trong những tủ rời nhau với kích thước 1,5 x 0,9 x 1,8 mét. Nó trị giá 500.000 USD hoặc cho thuê với giá 3.500 USD một tháng. Bộ nhớ trống (drum memory) của nó nguyên thủy chỉ có 2000 word 10 chữ số, và cần phải lập trình rất phức tạp thì mới tính toán được hiệu quả. Những giới hạn về bộ nhớ như vậy vẫn là vấn đề đối với ngành lập trình cho đến NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 14 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nhiều thập kỷ về sau, cho đến khi có một cuộc cách mạng về khả năng của phần cứng và một mô hình lập trình phù hợp với sự phát triển của phần mềm. Vào năm 1955, Maurice Wilkes đã sáng chế ra vi lập trình, sau đó được sử dụng rộng rãi trong các CPU và các đơn vị dấu chấm động của máy trạm và những máy tính khác, như dòng IBM 360. Vi lập trình cho phép tập lệnh nền được định nghĩa hoặc mở rộng bằng các chương trình tích hợp sẵn (ngày nay gọi là phần dẻo (firmware) hoặc vi mã (microcode)). Vào năm 1956, IBM đã bán hệ thống đĩa từ đầu tiên, RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control - Phương pháp truy cập ngẫu nhiên của Tính toán và điều khiển). Nó sử dụng 50 đĩa kim loại 24 inch (610 mm), với 100 rãnh mỗi mặt. Nó có thể lưu trữ 5 megabyte dữ liệu và có giá là 10.000 USD mỗi megabyte (vào năm 2008, bộ lưu trữ từ tính, ở dạng đĩa cứng, có giá dưới 1 phần 50 cent mỗi megabyte). Thế hệ thứ hai: tranzito Vào nửa sau thập niên 1950 tranzito lưỡng cực (BJT) đã thay thế ống chân không. Từ đó dẫn đến những chiếc máy tính thuộc "thế hệ thứ hai". Ban đầu, người ta tin rằng sẽ có rất ít máy tính được sản xuất hoặc sử dụng. Lý do là vì kích thước, giá cả, và kỹ năng cần có để vận hành hoặc đọc hiểu kết quả của chúng. Tranzito đã làm giảm đáng kể kích thước, giá thành ban đầu và chi phí vận hành. Tranzito lưỡng cực được phát minh vào năm 1947. Nếu không có dòng điện chạy qua đường cực base-emitter của tranzito lưỡng cực, đường cực collector-emitter của tranzito sẽ chặn dòng điện (tranzito khi đó gọi là "tắt hoàn toàn"). Nếu có dòng điện đủ lớn đi qua đường cực base-emitter của một tranzito, đường cực collector-emitter của tranzito đó cũng cho dòng điện đi qua (và tranzito được gọi là "mở hoàn toàn"). Việc cho dòng điện đi qua hoặc ngăn dòng điện là cách biểu diễn lần lượt cho số nhị phân 1 (true) hay 0 (false). So với ống chân không, tranzito có nhiều lợi điểm: sản xuất ra chúng rẻ hơn mà nhanh hơn gấp 10 lần, biến thiên từ điều kiện 1 đến 0 chỉ mất có một phần triệu hoặc một phần tỷ giây. Dung tích tranzito được đo bằng milimét vuông so với centimét vuông của ống chân không. Nhiệt độ vận hành thấp hơn của tranzito đã làm tăng độ tin cậy của chúng so với ống chân không. Các máy tính được trang bị tranzito có thể chứa mười ngàn mạch luận lý nhị phân trong một không gian rất nhỏ hẹp. NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 15 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Thông thường, các máy tính thế hệ thứ hai bao gồm rất nhiều mạch in như IBM Standard Modular System mỗi mạch có chứa một đến bốn cổng luận lý hoặc flip-flop. Một máy tính thế hệ thứ hai, IBM 1401, đã giành được đến khoảng một phần ba thị phần thế giới. IBM đã cài đặt hơn một trăm ngàn máy 1401 trong khoảng năm 1960 đến 1964 - Khoảng thời gian này cũng chứng kiến nỗ lực duy nhất của người Ý: chiếc ELEA của Olivetti, sản xuất được 110 máy. Các thiết bị điện tử được tranzito hóa không chỉ phát triển CPU, mà còn cả các thiết bị ngoại vi. Chiếc RAMAC IBM 350 được ra mắt vào năm 1956 và là máy tính có ổ đĩa đầu tiên trên thế giới. Đơn vị lưu trữ dữ liệu dạng đĩa thế hệ thứ hai có thể lưu trữ hàng chục triệu ký tự và chữ số. Nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau có thể kết nối với CPU, giúp tăng tổng dung lượng bộ nhớ đến hàng trăm triệu ký tự và chữ số. Tiếp sau đơn vị lưu trữ bằng đĩa cố định, được kết nối với CPU thông qua băng truyền dữ liệu tốc độ cao, là đơn vị lưu trữ dữ liệu dạng đĩa tháo lắp. Một chồng đĩa tháo lắp có thể thay bằng một chồng khác chỉ trong vài giây. Thậm chí dù dung lượng đĩa tháo lắp nhỏ hơn đĩa cố định, khả năng sử dụng thay thế lẫn nhau đảm bảo cho khả năng lưu trữ dữ liệu không có giới hạn trở nên trong tầm tay. Nhưng băng từ cung cấp khả năng lưu trữ các dữ liệu này, với giá thành thấp hơn đĩa. Nhiều CPU thế hệ thứ hai giao phó việc giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho một vi xử lý thứ hai. Ví dụ, trong khi vi xử lý giao tiếp điều khiển việc đọc và đục lỗ thẻ, CPU chính sẽ xử lý việc tính toán và các lệnh rẽ nhánh. Một băng dữ liệu sẽ duy trì dữ liệu giữa CPU chính và bộ nhớ lõi mới theo tỷ lệ chu kỳ nạp-xử lý, và những băng dữ liệu khác sẽ chỉ phục vụ cho các thiết bị ngoại vi. Trên chiếc PDP-1, chu kỳ của bộ nhớ lõi là 5 miligiây; do đó đa số các lệnh số học mất khoảng 10 microgiây (100.000 phép toán một giây) vì phần lớn các phép toán phải được thực hiện trong ít nhất hai chu kỳ bộ nhớ; một cho lệnh, và một để nạp dữ liệu toán hạng. Trong thế hệ thứ hai này chứng kiến việc sử dụng rất nhiều đơn vị đầu cuối đầu xa (thường ở dạng Máy telex như Friden Flexowriter). Các kết nối điện thoại đã cung cấp tốc độ hợp lý cho những đầu cuối đầu xa đầu tiên và cho phép chia tách hàng trăm kilômét giữa các thiết bị đầu cuối đầu xa và trung tâm tính toán. Cuối cùng những mạng máy tính độc lập này sẽ được tổng hợp vào một mạng các mạng liên kết với nhau - Internet. NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 16 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Sau 1960: thế hệ thứ ba về sau Sự bùng nổ sử dụng máy tính bắt đầu từ các máy tính 'Thế hệ thứ ba'. Mà những chiếc máy tính này dựa trên các phát minh độc lập về mạch tích hợp (IC hay microchip) của Jack St. Clair Kilby và Robert Noyce, từ đó dẫn đến việc phát minh ra vi xử lý của Ted Hoff, Federico Faggin, và Stanley Mazor tại Intel. Ví dụ như mạch tích hợp ở hình bên phải, con Intel 8742, là một vi điều khiển 8-bit bao gồm một CPU chạy với tốc độ 12 MHz, RAM 128 byte, EPROM 2048 byte, và I/O trong cùng một con chip. Trong suốt thập niên 1960 có một khoảng cách đáng kể về công nghệ giữa thế hệ thứ hai và thứ ba. IBM đã hiện thực các mô-đun Công nghệ Logic rắn IBM trong mạch lai dành cho Hệ thống IBM/360 vào năm 1964. Đến cuối năm 1975, Sperry Univac vẫn tiếp tục sản xuất các máy thế hệ thứ hai như UNIVAC 494. Các hệ thống lớn Burroughs như B5000 là các máy xếp chồng cho phép lập trình đơn giản hơn. Những máy tự động ngăn xếp này cũng được hiện thực trong vi máy tính và vi xử lý về sau, những thứ đã ảnh hưởng đến thiết kế ngôn ngữ lập trình. Các vi máy tính được dùng làm trung tâm máy tính giá thấp cho ngành công nghiệp, kinh doanh và trường đại học. Nó có thể mô phỏng mạch tương tự bằng chương trình mô phỏng tập trung vào mạch tích hợp (simulation program with integrated circuit emphasis), hay SPICE (1971) trên vi máy tính, một trong những chương trình dành cho máy tự động thiết kế điện tử (electronic design automation - EDA). Vi xử lý dẫn đến sự phát triển của vi máy tính, những máy tính nhỏ, giá thành thấp mà những cá nhân và doanh nghiệp nhỏ có thể sở hữu. Các vi máy tính, xuất hiện lần đầu vào thập niên 1970, có mặt ở khắp mọi nơi vào thập niên 1980 về sau. Steve Wozniak, đồng sáng lập viên Apple Computer, là người được vinh danh trong quá trình phát triển chiếc máy tính gia đình dành cho thị trường đại chúng đầu tiên. Tuy nhiên, chiếc máy tính đầu tiên của ông, Apple I, lại ra xuất hiện một thời gian sau các máy KIM-1 và Altair 8800, và chiếc máy tính Apple đầu tiên có khả năng đồ họa và âm thanh cũng được phát hành một thời gian dài sau Commodore PET. Việc tính toán gắn liền với kiến trúc vi máy tính, với các tính năng đã có từ các máy kích thước lớn hơn, giờ đã chiếm lĩnh trong hầu hết phân khúc thị trường. Những hệ thống phức tạp như máy vi tính cần phải có độ tin cậy rất cao. ENIAC đã được duy trì hoạt động liên tục từ năm 1947 đến 1955, thời gian là 8 năm trước khi nó được tắt hoàn toàn. Mặc dù một ống chân không có thể bị hỏng, nó sẽ được thay thế ngay mà không phải tắt toàn hệ thống. Với chiến lược đơn giản là không bao giờ tắt máy ENIAC, các hỏng hóc đã được giảm thiểu một cách ngoạn mục. Những ổ cứng có thể gắn nóng, giống như các ống chân không vào những năm trước đây, tiếp tục truyền thống sửa chữa trong khi đang vận hành liên tục. Bộ nhớ bán dẫn thường không gây lỗi khi vận hành, mặc dù các hệ điều hành như Unix đã thực hiện những kiểm thử bộ nhớ NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 17 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC khi khởi động để kiểm tra các phần cứng bị hỏng. Ngày nay, sự cần thiết phải hoạt động một cách đáng tin cậy còn chặt chẽ hơn khi cụm máy chủ cũng giống như khay đựng giấy. Google đã quản lý điều này bằng cách sử dụng phần mềm chịu lỗi để phục hồi khi có sự cố phần cứng, và thậm chí vẫn hoạt động với ý tưởng thay thế hoàn toàn cụm máy chủ trong khi vẫn hoạt động bình thường, trong suốt một sự kiện dịch vụ. Vào thế kỷ 20, CPU đa nhân đã được bán ra thị trường. Bộ nhớ có thể ghi địa chỉ nội dung (Content-addressable memory - CAM) đã đủ rẻ để dùng trong các mạng lưới, mặc dù chưa có hệ thống máy tính hiện thực phần cứng CAM để dùng trong ngôn ngữ lập trình. Hiện tại, các CAM (hay các mảng kết hợp) trong phần mềm là cụ thể theo từng ngôn ngữ lập trình. Mảng ô nhớ bán dẫn là những cấu trúc rất ổn định, và các nhà sản xuất đã có được nhiều thành công từ đó; điều này cho phép giá các sản phẩm bộ nhớ giảm xuống. Sau khi bộ nhớ bán dẫn trở thành hàng hóa, phần mềm máy tính ngày càng bớt tay chân hơn; các mã lập trình đã bớt phức tạp, và dễ hiểu hơn. Khi các cổng luận lý dựa trên tranzito hiệu ứng vùng CMOS thay thế cho tranzito bán dẫn, mức tiêu thụ năng lượng của máy tính có thể giảm đi đáng kể (Một CMOS FET chỉ hút điện trong quá trình 'chuyển tiếp' giữa các trạng thái, không giống như độ hút điện nhiều hơn của một BJT). Điều này cho phép máy tính trở thành một thứ hàng hóa giờ đây có mặt ở khắp nơi, được tích hợp ở nhiều dạng, từ thiệp chúc mừng và điện thoại đến vệ tinh. Phần cứng và phần mềm máy tính thậm chí đã trở thành một phép ẩn dụng cho việc tính toán trên toàn cầu. Biểu hiện của sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực này có thể rút ra được từ lịch sử của một bài báo có ảnh hưởng. Cho đến lúc bất kỳ ai đó có thời gian để viết nó xuống, nó đã lạc hậu. Sau năm 1945, một số người đọc được First Draft of a Report on the EDVAC (bản nháp đầu tiên bản báo cáo về EDVAC) của John von Neumann, và ngay lập tức bắt tay hiện thực hệ thống của chính họ. Đến ngày nay, nhịp phát triển đó vẫn tiếp tục diễn ra, trên toàn cầu. NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 18 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.2 Các nguyên lý được ứng dụng sáng tạo để phát triển máy vi tính : Nguyên tắc phân nhỏ : - Các thành phần của máy vi tính trước đây là một khối ( main frame ) , người ta cải tiến bằng cách chia nhỏ các thiết bị ra, khi hư hỏng dễ dàng thay thế hơn. Việc phân chia giúp xác định rõ nhiệm vụ và chức năng, cũng như kiểm soát hư hỏng tốt hơn. Nguyên tắc “ tách khỏi “ : - Việc thiết kế máy tính hiện đại đã bỏ đi các ổ mềm Floppy disk, do dung lượng lưu trữ hiện tại vượt đến ngưỡng TB ( Terabyte ) nên phần này chỉ chiếm không gian, công suất nguồn được loại bỏ hẳn. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ : - Công nghệ mới cho phép CPU không cần phải xử lý xen kẽ các công việc đồng thời mà được chia làm nhiều luồng ( threads ) để xử lý nhanh hơn, tập trung hơn cho đối tượng. Nguyên tắc phản đối xứng : - Dây cung cấp nguồn cho ổ cứng, ổ CD thường có những gờ khác nhau để phân biệt đầu trái phải. Trước đây ổ cứng ATA cũng dấu đi 1 chân trong 40 chân để phân biệt mặt trên, mặt dưới cáp. - Chip set máy tính luôn bị gờ 1 góc để thuận tiện việc tháo lắp. Khe Ram cũng được thiết kế tránh cắm ngược Ram dẫn đến cháy Ram. Nguyên tắc kết hợp : - Việc phối hợp giữa 2 thanh Ram, 2 Card màn hình hay nhiều CPU cùng nhau tăng thêm hiệu năng của máy vi tính . Giảm tải phát triển 1 bộ phận chịu khối lượng xử lý lớn. Nguyên tắc vạn năng : NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO PHÁT TRIỂN MÁY VI TÍNH - 19 -
- Xem thêm -