Tài liệu Ứng dụng các nguyên tắc sáng tạo trong quá trình phát triển máy tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KHOA HỌC MÁY TÍNH Bài thu hoạch: Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học Trong Tin Học Đề tài: Ứng dụng các nguyên tắc sáng tạo trong quá trình phát triển máy tính. Giáo viên hướng dẫn : GS.TSKH. Hoàng Kiếm Học viên : Đào Văn Kết MSHV : CH1101095 Lớp: Cao học Khoa học máy tính Khóa 6 Niên khóa 2012 - 2014 Lời mở đầu:................................................................................................4 I. 40 Nguyên tắc sáng tạo:.........................................................................5 1. Nguyên tắc phân nhỏ:..................................................................................5 2. Nguyên tắc “tách khỏi”:...............................................................................5 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ:....................................................................5 4. Nguyên tắc phản đối xứng:.........................................................................5 5. Nguyên tắc kết hợp:.....................................................................................5 6. Nguyên tắc vạn năng:...................................................................................5 7. Nguyên tắc “chứa trong”:............................................................................6 8. Nguyên tắc phản trọng lượng:....................................................................6 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ:.................................................................6 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ:.....................................................................6 11. Nguyên tăc dự phong:................................................................................6 12. Nguyên tăc đăng thê:.................................................................................6 13. Nguyên tăc đao ngươc:.............................................................................6 14. Nguyên tăc câu (tron) hoa:........................................................................7 15. Nguyên tăc linh đông:................................................................................7 16. Nguyên tăc giai “thiêu” hoăc “thưa”:.......................................................7 17. Nguyên tăc chuyên sang chiêu khac:.......................................................7 18. Nguyên tăc sử dung cac dao đông cơ hoc:............................................7 19. Nguyên tăc tac đông theo chu ky:............................................................8 20. Nguyên tăc liên tuc tac đông có ich.........................................................8 21. Nguyên tắc “vượt nhanh”:.........................................................................8 22. Nguyên tắc biến hại thành lợi:..................................................................8 23. Nguyên tắc quan hệ phản hồi:..................................................................8 24. Nguyên tắc sử dụng trung gian:...............................................................8 26. Nguyên tắc sao chép (copy):.....................................................................9 27. Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt”:...............................................................9 28. Thay thế sơ đồ cơ học:..............................................................................9 29. Sử dụng các kết cấu khí và lỏng:..............................................................9 30. Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng:...............................................................9 31. Sử dụng các vật liệu nhiều lỗ:.................................................................10 2 32. Nguyên tắc thay đổi màu sắc:.................................................................10 33. Nguyên tắc đồng nhất:.............................................................................10 34. Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần:......................................10 35. Thay đổi các thông số hoá lý của đối tượng:........................................10 36. Sử dụng chuyển pha:...............................................................................10 37. Sử dụng sự nở nhiệt:...............................................................................11 38. Sử dụng các chất oxy hoá mạnh:...........................................................11 39. Thay đổi độ trơ:.........................................................................................11 40. Sử dụng các vật liệu hợp thành (composite):.......................................11 II. Lịch sử phát triển của máy tính..........................................................12 1. Thế hệ thứ I (1940-1955).............................................................................12 2. Thế hệ thứ II (1955-1960)............................................................................14 3. Thế hệ thứ III (1960-1970)...........................................................................15 4. Thế hệ thứ IV (1970 đến nay).....................................................................18 III. Kết luận :..............................................................................................27 Tài liệu tham khảo :.................................................................................28 3 Lời mở đầu: Đôi khi chúng ta tự hỏi, vì sao mình không thành công như Bill Gates, không sáng tạo như Steve Jobs? Không phải chúng ta quá kém cõi hay thiếu sáng tạo, mà thực tế, có những “ổ khóa trí tuệ” thường dẫn dắt, giam hãm chúng ta theo những lối mòn, trong những khuôn mẫu. Vì thế cần có những nguyên tắc để đánh thức sự sáng tạo trong mỗi con người. Đó là thông điệp mà giáo sư Alshuller - người Nga, kỹ sư, nhà sáng chế, nhà văn viết truyện khoa học viễn tưởng, tác giả của “40 Nguyên tắc sáng tạo cơ bản” muốn gửi đến chúng ta. Máy tính là một công cụ giúp con người giải quyết nhanh những bài toán cần khả năng tính toán cao và đã trải qua nhiều bước tiến triển về công nghệ, từ những chiếc máy tính cỡ lớn chiếm cả gian phòng đến nay chỉ còn bé bằng bàn tay và có thể mang đi lại dễ dàng. Máy tính đã ra đời từ khi nào, ở đâu, và các nguyên tắc sáng tạo nào đã được ứng dụng trong quá trình phát triển của máy tính, là những câu hỏi sẽ lần lượt được giải đáp. Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến GS.TSKH Hoàng Kiếm đã tận tình hướng dẫn làm bài thu hoạch này. 4 I. 40 Nguyên tắc sáng tạo: 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”: a) 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 giãm bật 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 không cần sự tham gia của các đối tượng khác. 5 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. 8. Nguyên tắc phản trọng lượng: a) Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng cách gắn nó với các 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 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 tăc dự phong: Bù đăp độ tin cây không lơn cua đôi tương băng cach chuân bi trươc cac phương tiên bao động, ưng cưu, an toan. 12. Nguyên tăc đăng thê: Thay đôi điêu kiên lam viêc để không phai nâng lên hay hạ xuông cac đôi tương. 13. Nguyên tăc đao ngươc: a) Thay vì hanh động như yêu câu bai toan, hanh động ngươc lại (vi du, không lam nong ma lam lạnh đôi tương) b) Lam phân chuyển động cua đôi tương (hay môi trương bên 6 ngoai) thanh đưng yên va ngươc lại, phân đưng yên thanh chuyển động. 14. Nguyên tăc câu (tron) hoa: a) Chuyển nhưng phân thăng cua đôi tương thanh cong, măt phăng thanh măt câu, kêt câu hình hộp thanh kêt câu hình câu. b) Sử dung cac con lăn, viên bi, vong xoăn. c) Chuyển sang chuyển độg quay, sử dung lưc ly tâm. 15. Nguyên tăc linh đông: a) Cân thay đôi cac đăt trưng cua đôi tương hay môi trương bên ngoai sao cho chung tôi ưu trong tưng giai đoạn lam viêc. b) Phân chia đôi tương thanh tưng phân, co kha năng dich chuyển vơi nhau. 16. Nguyên tăc giai “thiêu” hoăc “thưa”: Nêu như kho nhân đươc 100% hiêu qua cân thiêt, nên nhân it hơn hoăc nhiêu hơn “một chut”. Luc đo bai toan co thể trở nên đơn gian hơn va dễ giai hơn. 17. Nguyên tăc chuyên sang chiêu khac: a) Nhưng kho khăn do chuyển động (hay săp xêp) đôi tương theo đương (một chiêu) sẽ đươc khăc phuc nêu cho đôi tương kha năng di chuyển trên măt phăng (hai chiêu). Tương tư, nhưng bai toan liên quan đên chuyển động (hay săp xêp) cac đôi tương trên măt phăng sẽ đươc đơn gian hoa khi chuyển sang không gian (ba chiêu). b) Chuyển cac đôi tương co kêt câu một tâng thanh nhiêu tâng. c) Đăt đôi tương năm nghiêng. d) Sử dung măt sau cua diên tich cho trươc. e) Sử dung cac luông anh sang tơi diên tich bên cạnh hoăc tơi măt sau cua diên tich cho trươc. 18. Nguyên tăc sử dung cac dao đông cơ hoc: a) Lam đôi tương dao động. Nêu đã co dao động, tăng tâng sô dao động ( đên tâng sô siêu âm). b) Sử dung tâng sô cộng hưởng. 7 c) Thay vì dùng cac bộ rung cơ hoc, dùng cac bộ rung ap điên. d) Sử dung siêu âm kêt hơp vơi trương điên tư. 19. Nguyên tăc tac đông theo chu ky: a) Chuyển tac động liên tuc thanh tac động theo chu kỳ (xung). b) Nêu đã co tac động theo chu kỳ, hãy thay đôi chu kỳ. c) Sử dung cac khoang thơi gian giưa cac xung để thưc hiên tac động khac. 20. Nguyên tăc liên tuc tac đông có ich a) Thưc hiên công viêc một cach liên tuc (tât ca cac phân cua đôi tương cân luôn luôn lam viêc ở chê độ đu tai). b) Khăc phuc vân hanh không tai va trung gian. c) Chuyển chuyển động tinh tiên qua lại thanh chuyển động qua. 21. Nguyên tắc “vượt nhanh”: a. Vượt qua các 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 (thí 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: 8 a. đối tượng phải tự phục vụ bằng cách thực hiện các thao tác phụ trợ, sửa chữa. b. Sử dụng phế liệu, chát thải, năng lượng dư. 26. Nguyên tắc sao chép (copy): a. Thay vì sử dụng những cái không được phép, phức tạp, đắt tiền, không tiện lợi hoặc dễ vỡ, sử dụng bản sao. b. Thay thế đối tượng hoặc hệ các đối tượng bằng bản sao quang học (ảnh, hình vẽ) với các tỷ lệ cần thiết. c. Nếu không thể sử dụng bản sao quang học ở vùng biẻu 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 thế đối tượng đắt tiền bằng bộ các đối tượng rẻ có chất lượng kém hơn (thí dụ như về tuổi thọ). 28. Thay thế sơ đồ cơ 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 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 bên ngoài bằng các vỏ dẻo và màng mỏng. 9 31. Sử dụng các vật liệu nhiều lỗ: a. Làm đối tượng có nhiều lỗ hoặc sử dụng thêm những chi tiết có 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 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, hùynh 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 đối tượng cho trước, phải được làm từ cùng một vật liệu (hoặc từ vật liệu gần về các tính chất) với 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 càn 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. 35. Thay đổi các thông số hoá lý của đối tượng: a. Thay đổi trạng thái 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 quá trình chuyển pha như: thay đổi thể tích, toả hay hấp thu nhiệt lượng... 10 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 hoá 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 hoá tác động lên không khí hoặc oxy. d. Thay oxy giàu ozon (hoặc oxy bị ion hoá) bằng chính ozon. 39. Thay đổi độ trơ: a. Thay môi trường thông thường bằng môi trường trung hoà. b. Đưa thêm vào đối tượng các phần , các chất , phụ gia trung hoà. 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 những vật liệu hợp thành (composite). Hay nói chung sử dụng các vật liệu mới. 11 II. Lịch sử phát triển của máy tính 1. Thế hệ thứ I (1940-1955) Sử dụng đèn điện tử làm phần cơ bản, cùng với việc sử dụng bộ nhớ làm bằng dây trễ và bộ nhớ tĩnh điện. Phần lớn các máy tính ở thế hệ này đều hiện thực khái niệm chương trình lưu trữ, vào/ra dữ liệu bằng băng giấy đục lỗ , phiếu đục lỗ, băng từ. Các máy tính thế hệ này giải quyết được nhiều bài toán khoa học kĩ thuật và các bài toán phức tạp về dự báo thời tiết và năng lượng hạt nhân. ENIAC (năm 1946) 12 Được biết đến như một máy tính điện tử đầu tiên dành cho mục đích chung. ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) được sử dụng đầu tiên trong Chiến tranh thế giới lần thứ 2 nhưng chưa hoàn thành cho đến một năm sau khi chiến tranh kết thúc. Được lắp đặt ở trường Đại học Pennsylvania, sản phẩm gồm 40 kệ cao 2,4m và 18.000 ống chân không, có khả năng xử lý 5.000 phép tính/một giây và hoạt động nhanh hơn bất cứ thiết bị nào trước đó. SAGE (năm 1954) 13 Hệ thống phòng thủ tính toán khổng lồ SAGE (Semi-Automatic Ground Enviroment) được thiết kế để hỗ trợ Lực lượng không quân theo dõi dữ liệu rađa theo thời gian thực. Sản phẩm được trang bị với những tiến bộ kỹ thuật như modem và hiển thị đồ họa. Hệ thống nặng tới 300 tấn và chiếm diện tích cả một gian phòng. 2. Thế hệ thứ II (1955-1960) Sử dụng Transistor cùng với đèn điện tử. Bộ nhớ trong làm bằng xuyến từ. Cùng làm việc với băng từ xuất hiện thêm trống từ và đĩa từ. Những ý định về lập trình bằng ngôn ngữ cấp cao đã dẫn đến sự ra đời của các ngôn ngữ BO, Comercial Translator, Fact, Fortran, Mathmatic. NEAC 2203 (năm 1960) Được chế tạo bởi hãng điện Nippon Electric Company (NEC) và là một trong những chiếc máy tính bán dẫn sớm nhất ở Nhật Bản. Chúng được ứng dụng trong các lĩnh vực kinh doanh, khoa học và ứng dụng kỹ thuật. 14 3. Thế hệ thứ III (1960-1970) Có lẽ tiêu chuẩn quan trọng nhất để phân biệt máy tính thứ hai và máy tính thế hệ thứ ba là các tiêu chuẩn dựa trên khái niệm kiến trúc máy tính. Kiến trúc máy tính là hệ thống tính toán ở cấp tổng thể, bao gồm hệ thống lệnh , tổ chức bộ nhớ, hoạt động vào/ra,phương tiện lập trình cho người sử dụng .... Những thành tựu trong lĩnh vực điện tử, đã cho phép các nhà thiết kế máy tính xây dựng một kiến trúc máy tính thỏa mãn yêu cầu của bài toán cần giải quyết, cũng như của người lập trình. Hệ Điều Hành trở thành một bộ phận của máy tính, điều khiển mọi hoạt động của máy tính, khả năng đa lập trình đã ló dạng. Nhiều vấn đề về quản lý bộ nhớ, quản lý các thiết xuất/ nhập và các tài nguyên khác đã được đãm nhận bởi Hệ Điều Hành hoặc trực tiếp bằng phần cứng của máy tính. IBM System/360 (năm 1964) IBM System/360 là máy tính đầu tiên kiểm soát toàn bộ phạm vi ứng dụng từ nhỏ tới lớn, từ thương mại tới khoa học. Người dùng có thể phóng to 15 hay thu nhỏ các thiết lập của mình mà không phải đau đầu về việc nâng cấp phần mềm. Các mẫu System/360 cao cấp có vai trò lớn trong các sứ mệnh của con tàu vũ trụ Apollo của NASA cũng như các hệ thống theo dõi lưu lượng không khí. CDC 6600 (năm 1964) La san phâm cua Control Data Corporation. Trong một thơi gian, san phâm này là bộ máy nhanh nhất trên thế giới. CDC 6600 được kiến trúc sư máy tính Seymour Cray thiết kế. Sản phẩm vẫn giữ được “ngôi quán quân tốc độ” cho đến năm 1969 khi Cray thiết kế siêu máy tính tiếp theo của ông. DEC PDP-8 (1965) 16 Sản phẩm được chế tạo bởi công ty Thiết bị kỹ thuật số Digital Equipment Corporation (DEC) và là chiếc máy tính mini đầu tiên được thương mại hóa thành công. Khi tung ra thị trường, DEC PDP-8 đã bán được hơn 50.000 đơn vị. Chúng có thể thực hiện mọi công việc của một chiếc máy tính lớn nhưng giá chỉ khoảng 16.000 USD trong khi System/360 của IBM lên tới hàng trăm ngàn USD. Interface Message Processor (năm 1969) 17 IBP đặc trưng cho thế hệ gateway đầu tiên và ngày nay được biết đến là các bộ định tuyến (router). Như vậy, IMP thực hiện những tác vụ quan trọng trong việc phát triển mạng chuyển mạch gói đầu tiên trên thế giới (ARPANET) và là người tiền nhiệm của Internet toàn cầu hiện nay. 4. Thế hệ thứ IV (1970 đến nay) Gồm các máy tính chúng ta đang dùng. Được thiết kế nhằm sử dụng hiệu quả các ngôn ngữ lập trình cấp cao và giảm nhẹ quá trình lập trình cho người sử dụng. Đặc trưng cho máy tính thế hệ thứ tư là việc sử dụng các mạch tích hợp làm pnần tử cơ bản, và sự xuất hiện bộ nhớ làm bằng MOS (Metal Oxide Semiconductor) có tốc độ truy xuất nhanh và dung lượng bộ nhớ tăng lên, được tính bằng Mega Bytes. Kenbak-1 (năm 1971) Sản phẩm được coi là máy tính cá nhân (Personal Computer –PC) đầu tiên trên thế giới và được giới thiệu như là một công cụ sử dụng dễ dàng cho giáo dục nhưng chúng đã thất bại khi chỉ bán được có hơn một tá sản phẩm. Thiếu bộ vi xử lý, chúng chỉ thực hiện được công suất tính toán 256B và đầu ra (output) của chúng chỉ là một loạt đèn nhấp nháy. 18 Cray-1 (năm 1976) Ở thời điểm phát hành, Cray-1 là bộ máy tính toán có tốc độ nhanh nhất trên thế giới. Dù mức giá khoảng từ 5-10 triệu USD nhưng vẫn bán chạy. Chúng là một trong những sản phẩm được kiến trúc sư máy tính Seymour Cray thiết kế. Ông đã cống hiến cả cuộc đời mình cho việc chế tạo ra cái gọi là siêu máy tính. Apple I (năm 1976) 19 Ban đâu, Apple I đươc hình thanh bởi Steve Wozniak (thương đươc biêt đên vơi tên goi Woz) nhưng đã bi ông chu cua ông tại Hewlett-Packard (HP) từ chối. Không nản lòng, ông đã cung cấp chúng cho câu lạc bộ máy tính Homebrew ở Thung lũng Silicon và cùng với người bạn Steve Jobs quản lý để bán 50 mô hình thiết kế trước cho Byte Shop ở Mountain View, California với mức giá khoảng 666 USD. Cho dù giá bán thấp nhưng chúng là thiết bị mở đường cho sự thành công của Apple II. Máy tính cá nhân của IBM (năm 1981) 20