Компьютерная инженерия

Компьютерная инженерия ( CoE или CpE ) - это отрасль инженерии, которая объединяет несколько областей информатики и электронной инженерии, необходимых для разработки компьютерного оборудования и программного обеспечения . ^[1] Компьютерные инженеры обычно проходят подготовку в области электронной инженерии (или электротехники ), проектирования программного обеспечения и интеграции аппаратного и программного обеспечения, а не только в области разработки программного обеспечения или электронной инженерии. Компьютерные инженеры участвуют во многих аппаратных и программных аспектах вычислений , от проектирования индивидуальныхмикроконтроллеры , микропроцессоры , персональные компьютеры и суперкомпьютеры , до схемотехники . Эта область инженерии фокусируется не только на том, как работают сами компьютерные системы, но и на том, как они интегрируются в общую картину. ^[2]

Обычные задачи с участием компьютерных инженеров включают написание программного обеспечения и прошивки для встроенных микроконтроллеров , проектирование микросхем СБИС , проектирование аналоговых датчиков , проектирование печатных плат со смешанными сигналами и проектирование операционных систем . Компьютерные инженеры также подходят для исследований в области робототехники , которые в значительной степени полагаются на использование цифровых систем для управления и мониторинга электрических систем, таких как двигатели , средства связи и датчики .

Во многих высших учебных заведениях студентам, изучающим компьютерные технологии, разрешается выбирать области углубленного изучения на младших и старших курсах обучения, поскольку весь спектр знаний, используемых при проектировании и применении компьютеров, выходит за рамки бакалавриата . Другие вузы могут потребовать от студентов инженерных специальностей закончить один или два года общей инженерии, прежде чем объявить компьютерную инженерию своей основной задачей. ^{[3] [4] [5] [6]}

История [ править ]

Компьютерная инженерия началась в 1939 году, когда Джон Винсент Атанасов и Клиффорд Берри начали разработку первого в мире электронного цифрового компьютера с помощью физики , математики и электротехники . Джон Винсент Атанасов когда-то был учителем физики и математики в Университете штата Айова, а Клиффорд Берри - бывшим выпускником факультетов электротехники и физики. Вместе они создали компьютер Атанасова-Берри , также известный как ABC , на создание которого потребовалось 5 лет. ^[7]В то время как оригинальный ABC был разобран и выброшен в 1940-х годах, отдавая дань уважения поздним изобретателям, точная копия ABC была сделана в 1997 году, и команде исследователей и инженеров потребовалось четыре года и 350 000 долларов на создание. ^[8]

Современный персональный компьютер появился в 1970-х годах после нескольких прорывов в полупроводниковой технологии. Они включают в себя первый рабочий транзистор по William Шокли , Джон Бардин и Вальтер Брэттеном в Bell Labs в 1947 году, ^[9] кремния пассивации поверхности процесс ( с помощью термического окисления ) путем Mohamed Atalla в Bell Labs в 1957 году, ^{[10] [11] [ 12]} монолитной интегральной схемы чипа от Роберта Нойса на Fairchild Semiconductorв 1959 году, ^[13] металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET, или МОП - транзистор) Мохамед Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году, ^{[14] [15] [16]} и однокристальный микропроцессор ( Intel 4004 ) Федерико Фаггин , Марсиан Хофф , Масатоши Шима и Стэнли Мазор из Intel в 1971 г. ^[17]

История компьютерного инженерного образования [ править ]

Первая программа обучения компьютерной инженерии в США была учреждена в 1971 году в Университете Кейс Вестерн Резерв в Кливленде , штат Огайо . ^[18] По состоянию на 2015 ^{[Обновить]}год в США было 250 аккредитованных ABET программ компьютерной инженерии. ^[19] В Европе аккредитация школ компьютерной инженерии осуществляется различными агентствами, входящими в сеть EQANIE . В связи с возрастающими требованиями к должностям инженеров, которые могут одновременно разрабатывать оборудование, программное обеспечение , прошивки и управлять всеми формами компьютерных систем, используемых в промышленности, некоторые высшие учебные заведения по всему миру предлагают степень бакалавра.вообще называется компьютерной инженерией. Программы компьютерной инженерии и электронной инженерии включают в свои учебные программы разработку аналоговых и цифровых схем. Как и в случае с большинством инженерных дисциплин, компьютерным инженерам необходимы глубокие знания математики и естественных наук.

Образование [ править ]

В некоторых университетах компьютерная инженерия называется информатикой и инженерией . Большинство рабочих мест начального уровня в области компьютерной инженерии требует как минимум степени бакалавра в области компьютерной инженерии (или информатики и инженерии). Как правило, необходимо изучить множество математических дисциплин, таких как исчисление , алгебру и тригонометрию, а также некоторые уроки информатики . ^{[ необходима цитата ]} Иногда диплом по электронной инженериипринимается из-за схожести двух полей. Поскольку инженеры по аппаратному обеспечению обычно работают с компьютерными программными системами, необходим сильный опыт в области компьютерного программирования. Согласно BLS, «специальность компьютерная инженерия похожа на электротехнику, но в учебную программу добавлены некоторые курсы информатики». ^[20] Некоторым крупным фирмам или специализированным профессиям требуется степень магистра.

Для компьютерных инженеров также важно идти в ногу со стремительным развитием технологий. Поэтому многие продолжают учиться на протяжении всей своей карьеры. Это может быть полезно, особенно когда дело касается изучения новых навыков или улучшения существующих. Например, по мере того, как относительная стоимость исправления ошибки увеличивается по мере продвижения в цикле разработки программного обеспечения, может быть большая экономия средств, связанная с разработкой и тестированием качественного кода как можно скорее в процессе, особенно перед выпуском. ^[21]

Профессия: компьютерный инженер [ править ]

Человек, имеющий профессию в области компьютерной инженерии, называется инженером-компьютерщиком.

Применение и практика [ править ]

Примеры и перспективы в этом разделе касаются в первую очередь Соединенных Штатов и не отражают общемировой взгляд на предмет . Вы можете улучшить этот раздел , обсудить проблему на странице обсуждения или, при необходимости, создать новый раздел. ( Июль 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В компьютерной инженерии есть два основных направления: оборудование и программное обеспечение.

Компьютерное оборудование [ править ]

Согласно BLS , Job Outlook для инженеров по компьютерному оборудованию, ожидаемый десятилетний рост с 2019 по 2029 год для компьютерного оборудования составил примерно 2% и в общей сложности 71 100 рабочих мест. («Медленнее среднего», по их собственным словам, по сравнению с другими профессиями) ». ^[22] Это снижение по сравнению с оценкой компьютерного оборудования BLS 2014–2024 гг. На 3% и в общей сложности 77 700 рабочих мест» ^[22] и снизилась с 7% в оценке BLS с 2012 по 2022 год ^[22] и еще ниже с 9% в оценке BLS с 2010 по 2020 год ^[22] . «Сегодня компьютерное оборудование в некотором роде равноценно ^{[ требуется пояснение ]}электронная и компьютерная инженерия (ECE) и была разделена на множество подкатегорий; наиболее важным ^{[ цитата ]} является дизайн встроенной системы. ^[20]

Разработка компьютерного программного обеспечения [ править ]

По данным Бюро статистики труда США (BLS), «инженеры-программисты компьютерных приложений и инженеры-программисты компьютерных систем, по прогнозам, будут среди профессий, которые растут быстрее, чем в среднем». Ожидаемый десятилетний рост с 2014 года для компьютерного программного обеспечения был оценен семнадцать процентов, и в том же году было в общей сложности 1,114,000 рабочих мест. ^[23] Это меньше, чем в 2012–2022 годах, по оценке BLS, составлявшей 22% для разработчиков программного обеспечения. ^{[24] [23]} И еще ниже, чем оценка BLS с 2010 по 2020 год, равная 30%. ^[25]Кроме того, растущие опасения по поводу кибербезопасности приводят к тому, что разработка компьютерного программного обеспечения превышает средние темпы роста во всех областях. Однако часть работ будет выполняться за рубежом. ^[26] В связи с этим рост числа рабочих мест не будет таким быстрым, как в течение последнего десятилетия, поскольку рабочие места, которые достались бы инженерам компьютерного программного обеспечения в Соединенных Штатах, вместо этого перешли бы инженерам программного обеспечения в таких странах, как Индия. ^[27] Кроме того, прогноз вакансий BLS для компьютерных программистов на 2014–2024 годы имеет –8% (снижение, по их словам) ^[27], а прогноз вакансий на 2019–29–9% (снижение) ^[28] для тех, кто программирует компьютеры (например, встроенные системы), но не является разработчиками компьютерных приложений. ^{[29] [30]}Кроме того, количество женщин в области программного обеспечения сокращалось с годами даже быстрее, чем в других областях инженерии. ^[31]

Лицензирование и практика компьютерной инженерии [ править ]

Компьютерная инженерия обычно практикуется в более крупных фирмах, занимающихся разработкой продуктов, и такая практика может не подлежать лицензированию. ^{[32] [33]} Однако независимые консультанты, рекламирующие компьютерную технику, как и любую другую форму инженерии, могут подпадать под действие законов штата, которые ограничивают профессиональную инженерную практику только теми, кто получил соответствующую лицензию. ^{[34] [35]} Национальный совет экспертов по инженерно-геодезическим работам (NCEES) впервые предложил Принципы и практику инженерного экзамена для компьютерной инженерии ^[36] в 2003 году.

Специализированные области [ править ]

В области компьютерной инженерии существует множество специальностей.

Дизайн процессора [ править ]

Процесс проектирования процессора включает выбор набора команд и определенной парадигмы выполнения (например, VLIW или RISC) и приводит к микроархитектуре, которая может быть описана, например, в VHDL или Verilog. Дизайн ЦП разделен на дизайн следующих компонентов: пути данных (например, ALU и конвейеры), блок управления: логика, которая управляет каналами данных, компоненты памяти, такие как файлы регистров, кеши, схемы часов, такие как драйверы часов, PLL, сети распределения часов. , схема приемопередатчика контактной площадки, библиотека ячеек логического элемента, которая используется для реализации логики.

Кодирование, криптография и защита информации [ править ]

Компьютерные инженеры работают над кодированием, криптографией и защитой информации, чтобы разработать новые методы защиты различной информации, такой как цифровые изображения и музыка, фрагментация, нарушение авторских прав и другие формы подделки. Примеры включают работу в области беспроводной связи, многоантенных систем, оптической передачи и цифровых водяных знаков . ^[37]

Связь и беспроводные сети [ править ]

Те, кто занимается коммуникациями и беспроводными сетями, достижениями в области телекоммуникационных систем и сетей (особенно беспроводных сетей), кодированием с модуляцией и контролем ошибок и теорией информации. Разработка высокоскоростной сети , подавление и модуляция помех, проектирование и анализ отказоустойчивой системы , а также схемы хранения и передачи - все это часть этой специальности. ^[37]

Компиляторы и операционные системы [ править ]

Эта специальность специализируется на проектировании и разработке компиляторов и операционных систем . Инженеры в этой области разрабатывают новую архитектуру операционной системы, методы анализа программ и новые методы для обеспечения качества. Примеры работы в этой области включают разработку алгоритма преобразования кода после компоновки и разработку новой операционной системы. ^[37]

Вычислительная наука и инженерия [ править ]

Вычислительная наука и инженерия - относительно новая дисциплина. По словам специалистов Sloan Career Cornerstone Center, специалистов, работающих в этой области, «вычислительные методы применяются для формулирования и решения сложных математических задач в инженерных, физических и социальных науках. Примеры включают проектирование самолетов, плазменную обработку нанометровых деталей на полупроводниковых пластинах. , Схемотехника СБИС , системы обнаружения радаров, перенос ионов по биологическим каналам и многое другое ». ^[37]

Компьютерные сети, мобильные вычисления и распределенные системы [ править ]

По этой специальности инженеры создают интегрированные среды для вычислений, связи и доступа к информации . Примеры включают в себя беспроводные сети с общим каналом, адаптивное управление ресурсами в различных системах и улучшение качества обслуживания в мобильных средах и средах ATM. Некоторые другие примеры включают работу в беспроводных сетевых системах и проводных кластерах Fast Ethernet. ^[37]

Компьютерные системы: архитектура, параллельная обработка и надежность [ править ]

Инженеры, работающие в компьютерных системах, работают над исследовательскими проектами, которые позволяют создавать надежные, безопасные и высокопроизводительные компьютерные системы. В это поле включены такие проекты, как разработка процессоров для многопоточности и параллельной обработки. Другие примеры работы в этой области включают разработку новых теорий, алгоритмов и других инструментов, которые повышают производительность компьютерных систем. ^[37]

Компьютерная архитектура включает в себя дизайн процессора , иерархии кэш - макета, организации памяти и балансировки нагрузки .

Компьютерное зрение и робототехника [ править ]

В этой специальности компьютерные инженеры сосредоточены на разработке технологии визуального восприятия для определения окружающей среды, ее представления и манипулирования окружающей средой. Затем собранная трехмерная информация используется для выполнения множества задач. К ним относятся улучшенное моделирование человека, обмен изображениями и интерфейс человек-компьютер, а также такие устройства, как специальные камеры с универсальными видеодатчиками. ^[37]

Встроенные системы [ править ]

Специалисты, работающие в этой области, разрабатывают технологии для повышения скорости, надежности и производительности систем. Встроенные системы можно найти во многих устройствах, от небольшого FM-радио до космических кораблей. По данным Sloan Cornerstone Career Center, текущие разработки встраиваемых систем включают «автоматизированные транспортные средства и оборудование для проведения поисково-спасательных операций, автоматизированные транспортные системы и координацию между человеком и роботом для ремонта оборудования в космосе». ^[37] По состоянию на 2018 год ^{[Обновить]}, специализация в области компьютерной инженерии включает проектирование систем на кристалле , архитектуру периферийных вычислений и Интернет вещей .

Интегральные схемы, проектирование СБИС, тестирование и САПР [ править ]

Эта специальность компьютерной инженерии требует адекватных знаний в области электроники и электрических систем. Специалисты , работающие в этой области работы по повышению скорости, надежности и эффективности использования энергии следующего поколения с очень больших интегральных ( СБИС ) схемы и микросистемы. Примером этой специальности является работа по снижению энергопотребления алгоритмов и архитектуры СБИС. ^[37]

Обработка сигналов, изображений и речи [ править ]

Компьютерные инженеры в этой области разрабатывают улучшения во взаимодействии человека с компьютером, включая распознавание и синтез речи , медицинскую и научную визуализацию или системы связи. Другая работа в этой области включает развитие компьютерного зрения, такое как распознавание черт лица человека . ^[37]

Квантовые вычисления [ править ]

См. Также [ править ]

Связанные поля [ править ]

Ассоциации [ править ]

• Ассоциация компьютерных инженеров и техников
• IEEE Computer Society
• Ассоциация вычислительной техники

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с компьютерной инженерией, на Викискладе?