II. ỨNG DỤNG CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO KHOA HỌC TRONG TIN
4.Sự vận dụng các nguyên tắc sáng tạo khoa học trong các giai đoạn phát triển của
từ vài bộ xử lý đến vài ngàn bộ xử lý. Điều này làm các chuyên gia về kiến trúc máy tính tiên đoán thế hệ thứ năm là thế hệ các máy tính xử lý song song.
4. Sự vận dụng các nguyên tắc sáng tạo khoa học trong các giai đoạn phát triển củamáy tính máy tính
- Nguyên tắc sao chép:
Trước Chiến tranh thế giới thứ II, máy tính tương tự, cơ khí và điện tử được xem là “thời thượng”, và nhiều người cho rằng chúng là tương lai của ngành tính toán. Những máy tính tương tự tận dụng sự tương tự chặt chẽ giữa toán học ở tỷ lệ nhỏ – vị trí và chuyển động của bánh xe hay điện thế và dòng điện của các thành phần điện tử – và toán học về các hiện tượng vật lý khác, như đường đạn, quán tính, cộng hưởng, truyền tải năng lượng, mô men… Trên cơ sở đó mô hình hóa các hiện tượng vật lý bằng điện thế và dòng điện điện tử thành các số lượng tương tự.
Ở thế hệ máy tính thứ 3, 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).
- Thay đổi độ trơ:
Trong thập niên 1940, những chiếc máy tính thuần túy điện tử đã được chế tạo từ những bóng chân không. Máy tính ENIAC sử dụng bộ đếm vòng, bao gồm 10 bóng chân không trong một vòng tròn.
- Nguyên tắc thay đổi màu sắc:
Khi Presper Eckert và John Mauchly cho ra đời ENIAC, hai nhà khoa học Mỹ này hiểu rằng họ đã tạo ra một hệ thống thay đổi lịch sử. Tuy nhiên, họ lại không biết giới thiệu phát minh đột phá đó như thế nào với mọi người. Do vậy, họ sơn số lên trên các bóng đèn và từ đó, những ánh sáng động, rực rỡ thường được công chúng liên tưởng đến máy điện toán.
- Sử dụng các dao động cơ học:
Ở những dòng máy tính tương tự phổ biến trong thập niên 1960, dòng chuyển động của các điện tử có thể được sử dụng để mô hình hóa sự chuyển động của nước trong đập.
Trung tâm của máy tính ENIAC là một bộ đếm vòng, bao gồm 10 bóng chân không trong một vòng tròn. Một số “5” sẽ được thể hiện bởi một dao động tại bóng số 5. Nếu một người cộng thêm “9” vào, dao động sẽ được chuyển sang bóng số 4, trong khi bóng đầu tiên trong một vòng tròn thứ hai, thể hiện số “10”, sẽ nhận được một dao động.
- Nguyên tắc cẩu (tròn) hóa:
Trung tâm của máy tính ENIAC là một bộ đếm vòng, bao gồm 10 bóng chân không trong một vòng tròn.
- Nguyên tắc gây ứng suất (phản tác động) sơ bộ:
Khi máy ENIAC hoạt động, một trong những thách thức lớn nhất là làm sao để ngăn ngừa không để các bóng chân không bị nổ. Do các bóng này có thể sẽ phải dao động tới 100.000 lần/giây và chiếc máy có vô số các bóng đèn này nên nguy cơ bóng đèn nổ diễn ra liên tục. Giáo sư Eckert đã giải quyết vấn đề bằng cách để các bóng đèn dưới giới hạn của chúng và thiết kế hệ thống để có thể hoạt động dưới “những điều kiện xấu nhất của xấu nhất”.
- Nguyên tắc dự phòng:
Các bóng đèn chân không dự phòng trong trường hợp bóng đèn chân không đang hoạt động trong máy ENIAC bị hỏng.
- Nguyên tắc phân nhỏ:
Máy tính ENIAC được chế tạo từ những bóng chân không. Do trong quá trình vận hành, các dao động làm cho các bóng chân không dễ bị nổ. Do đó, các bóng chân không được thiết kế dễ tháo lắp, đảm bảo có thể thay thế bóng chân không ngay mà không phải tắt toàn bộ hệ thống.
Trong thế hệ máy tính thứ 2, cùng với việc phát minh ra transistor, những đơn vị lưu trữ dữ liệu dạng đĩa tháo lắp cũng ra đời. 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.
- Nguyên tắc liên tục các tác động có ích:
Máy ENIAC sau khi phát triển hoàn thiện vào năm 1948 có thể thực hiện các phép tính song song, vì nó có thể được nối dây để thực hiện nhiều bộ cộng tích lũy cùng lúc.
- Sử dụng các kết cấu khí và lỏng:
Trong thế hệ máy tính von Neumann, 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 để lưu dữ liệu ngắn.
- Nguyên tắc kết hợp:
Chiếc RAMAC IBM 350 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.
Việc phát minh ra mạch tích hợp IC giúp cho nhiều transitor và các phần tử khác được tích hợp trên một chip bán dẫn.
- Nguyên tắc tự phục vụ:
Transistor lưỡng cực được phát minh vào năm 1947. Nếu không có dòng điện chạy qua đường cực base-emitter của transistor lưỡng cực, đường cực collector-emitter của transistor sẽ chặn dòng điện (transistor khi đó gọi là “tắt hoàn toàn”). Nếu có dòng điện đủ lớn đi qua đường cực base-emitter của một transistor, đường cực collector-emitter của transistor đó cũng cho dòng điện đi qua (và transistor 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).
- Nguyên tắc thay rẻ cho đắt: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Việc phát minh và sử dụng bóng bán dẫn transistor lưỡng cực ở thế hệ thứ 2 đã làm giảm đáng kể kích thước, giá thành ban đầu và chi phí vận hành của máy tính. So với ống chân không, transistor 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.
- Nguyên tắc tách khỏi:
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 (Programmed Data Processor-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.
Hình 2.13 – Máy PDI-1 năm 1960
Các thiết bị ngoại vi như màn hình, bàn phím, máy in… được thiết kế tách rời khỏi máy tính.
- Nguyên tắc chứa trong:
Trong mẫu thiết kế EDVAC của John von Neumann, cả chương trình và dữ liệu tính toán đều được lưu trữ trong một bộ lưu trữ duy nhất.
Bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý. Từ đó thúc đẩy sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi tính và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân.
Mạch tích hợp Intel 8742, là một vi điều khiển 8 bit bao gồm một CPU chạy với tốc độ 12 MHz, RAM128 byte, EPROM 2048 byte, và I/O trong cùng một con chip.
- Nguyên tắc tác động theo chu kỳ:
Bộ điều kiển của CPU máy tính là các vi xử lí có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lí, được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống. Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lí trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi. Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp.
- Thay thê sơ đồ (kết cấu) cơ học:
Máy tính thế hệ thứ nhất ENIAC hoạt động dựa trên hệ thập phân 10 số. Khi transistor ra đời, máy tính hoạt động dựa trên hệ nhị phân. Các máy tính được trang bị transistor có thể chứa mười ngàn mạch luận lý nhị phân trong một không gian rất nhỏ hẹp.
HP 150 năm 1983 là dòng máy tính đầu tiên với công nghệ màn hình cảm ứng (tourch screen). Màn hình của nó được bao quanh bởi tia hồng ngoài, giúp truyền và nhận tín hiệu để phát hiện vị trí ngón tay của người dùng.
- Nguyên tắc sử dụng trung gian:
Khi một máy tính kết thúc tính toán một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị cho người sử dụng thấy thông qua thiết bị xuất như: bóng đèn, màn hình, máy in... Các thiết bị xuất đóng vai trò là đối tượng trung gian truyền tải thông tin cho người dùng.
- Nguyên tắc vạn năng:
Năm 2007, iPhone ra đời được tích hợp nhiều chức năng như truy cập internet, gọi điện thoại, chụp ảnh, chơi nhạc… Nó còn hỗ trợ một số lượng lớn các phần mềm và các ứng dụng.
- Nguyên tắc thực hiện sơ bộ:
iPhone khi bán ra được cài sẵn hệ điều hành và những ứng dụng cơ bản. Tùy vào mục đích sử dụng, người dùng có thể cài thêm các ứng dụng khác cho riêng mình.
Trên bàn phím máy vi tính, phím cách (spacebar) thường được sử dụng nhất. Ngoài chức năng tạo khoảng trắng khi gõ văn bản, trong một số trường hợp, nó còn được sử dụng thay thế phím enter, thay thế nút cuộn của mouse và phím mũi tên hướng xuống/lên, xoá nhanh các định dạng văn bản… Do đó, phím cách được thiết kế là phím dài nhất trên bàn phím.
- Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng:
Bộ xử lý ngày một nhanh hơn, thêm vào việc nếu phải xử lý trong tình trạng overclock thì việc quan tâm đến vấn đề giải nhiệt là điều rất cần thiết. Thiết bị để làm giảm nhiệt độ bộ vi xử lý gọi là bộ giải nhiệt hay bộ tản nhiệt. Bề mặt tiếp xúc giữa bộ vi xử lý và bộ tản nhiệt không phải là hai mặt phẳng. Giữa chúng vẫn còn có khe hở và việc giải nhiệt trực tiếp không được hoàn hảo 100%. Không khí ở giữa không phải là môi trường tốt cho việc “giải nhiệt” và dẫn đến sự quá nhiệt. Để giải quyết vấn đề này, giải pháp đưa ra chính là dùng keo giải nhiệt. Thoa một lớp keo giải nhiệt mỏng vào khe hở giữa 2 bề mặt, keo giải nhiệt sẽ lấp đầy những khoảng trống và nhiệt độ sẽ chuyển giao dễ dàng hơn từ bộ vi xử lý sang bộ tản nhiệt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Dũng, Phương pháp luận sáng tạo khoa học kỹ thuật, Nhà xuất bản TP.HCM – 1998.
[2] Vũ Cao Dàm, Phương pháp luận nghiên cứu khoa học, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Hà Nội – 2001.
[3] Hoàng kiếm, Giải 1 bài tóan trên máy tính như thế nào I, II, III, Nhà xuất bản Giáo dục – 2001, 2002, 2004.
[4] Atshuler, Giải 1 bài toán phát minh sáng chế, Nhà xuất bản thống kê – 1991. [5] http://vi.wikipedia.org/wiki/Lịch_sử_phần_cứng_máy_tính