stringtranslate.com

Компьютерная инженерия

Компьютерная инженерия ( CoE или CpE ) — это отрасль компьютерной науки и электронной инженерии , которая объединяет несколько областей компьютерной науки и электронной инженерии, необходимых для разработки компьютерного оборудования и программного обеспечения . [1] В некоторых университетах компьютерную инженерию называют компьютерной наукой и инженерией или электротехнической и компьютерной инженерией.

Инженеры-компьютерщики должны иметь подготовку в области электронной инженерии , компьютерных наук , интеграции аппаратного и программного обеспечения, проектирования программного обеспечения и программной инженерии . Она использует методы и принципы электротехники и компьютерной науки и может охватывать такие области, как искусственный интеллект (ИИ) , робототехника , компьютерные сети , архитектура компьютеров и операционные системы . Инженеры-компьютерщики участвуют во многих аспектах аппаратного и программного обеспечения вычислений , от проектирования отдельных микроконтроллеров , микропроцессоров , персональных компьютеров и суперкомпьютеров до проектирования схем . Эта область инженерии фокусируется не только на том, как работают сами компьютерные системы, но и на том, как интегрировать их в более общую картину. [2] Робототехника является одним из приложений компьютерной инженерии.

Компьютерная инженерия обычно занимается такими областями, как написание программного обеспечения и прошивки для встроенных микроконтроллеров , проектирование микросхем VLSI , аналоговых датчиков , плат смешанных сигналов и операционных систем . Компьютерные инженеры также подходят для исследований в области робототехники , которые в значительной степени опираются на использование цифровых систем для управления и мониторинга электрических систем, таких как двигатели , коммуникации и датчики .

Во многих высших учебных заведениях студентам, изучающим компьютерную инженерию, разрешается выбирать области углубленного изучения на младших и старших курсах, поскольку полный спектр знаний, используемых при проектировании и применении компьютеров, выходит за рамки бакалавриата . Другие учебные заведения могут потребовать от студентов-инженеров пройти один или два года обучения по общей инженерии, прежде чем объявить компьютерную инженерию своей основной специальностью. [3] [4] [5] [6]

Эта материнская плата, используемая в персональном компьютере, является результатом усилий компьютерной инженерии.

История

Разностная машина , первый механический компьютер
ENIAC , первый электронный компьютер

Компьютерная инженерия началась в 1939 году, когда Джон Винсент Атанасов и Клиффорд Берри начали разрабатывать первый в мире электронный цифровой компьютер с помощью физики , математики и электротехники . Джон Винсент Атанасов когда-то был преподавателем физики и математики в Университете штата Айова , а Клиффорд Берри был бывшим выпускником по электротехнике и физике. Вместе они создали компьютер Атанасова-Берри , также известный как ABC, на создание которого ушло пять лет. [7] Хотя оригинальный ABC был разобран и выброшен в 1940-х годах, была отдана дань уважения покойным изобретателям; в 1997 году была изготовлена ​​копия ABC, на создание которой группе исследователей и инженеров потребовалось четыре года и 350 000 долларов. [8]

Современный персональный компьютер появился в 1970-х годах после ряда прорывов в полупроводниковой технологии. К ним относятся первый рабочий транзистор Уильяма Шокли , Джона Бардина и Уолтера Браттейна в Bell Labs в 1947 году [9] в 1955 году, пассивация поверхности диоксида кремния Карлом Фрошем и Линкольном Дериком [10] первые планарные транзисторы на основе диоксида кремния Фрошем и Дериком в 1957 году [11] планарный процесс Жана Эрни [12] [ 13] [14] монолитная интегральная схема Роберта Нойса в Fairchild Semiconductor в 1959 году [15] полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( МОП-транзистор), продемонстрированный группой в Bell Labs в 1960 году [16] и однокристальный микропроцессор ( Intel 4004 ) Федерико Фаггина , Марсиана Хоффа , Масатоши Шимы и Стэнли Мазора в Intel в 1971 году [17]

История образования в области компьютерной инженерии

Первая программа обучения по компьютерной инженерии в Соединенных Штатах была создана в 1971 году в Университете Case Western Reserve в Кливленде , штат Огайо . [18] По состоянию на 2015 год в США насчитывалось 250 аккредитованных ABET программ по компьютерной инженерии. [19] В Европе аккредитация школ компьютерной инженерии осуществляется различными агентствами в рамках сети EQANIE . Из-за растущих требований к работе инженеров, которые могут одновременно проектировать оборудование, программное обеспечение , встроенное ПО и управлять всеми формами компьютерных систем, используемых в промышленности, некоторые высшие учебные заведения по всему миру предлагают степень бакалавра, обычно называемую компьютерной инженерией. Программы как компьютерной инженерии, так и электронной инженерии включают в свою учебную программу проектирование аналоговых и цифровых схем. Как и в большинстве инженерных дисциплин, для компьютерных инженеров необходимы глубокие знания математики и естественных наук.

Образование

В некоторых университетах компьютерная инженерия называется компьютерной наукой и инженерией . Для большинства вакансий в области компьютерной инженерии начального уровня требуется как минимум степень бакалавра в области компьютерной инженерии, электротехники или компьютерных наук. Обычно необходимо изучить ряд разделов математики, таких как исчисление , линейная алгебра и дифференциальные уравнения , а также компьютерные науки . [20] Также достаточно степеней в области электронной или электротехники из-за сходства этих двух областей. Поскольку инженеры по аппаратному обеспечению обычно работают с системами компьютерного программного обеспечения, необходим сильный опыт в области компьютерного программирования. Согласно BLS, «специальность компьютерной инженерии похожа на электротехнику, но в учебную программу добавлены некоторые курсы по компьютерным наукам». [21] Для некоторых крупных фирм или специализированных работ требуется степень магистра.

Для компьютерных инженеров также важно идти в ногу с быстрым прогрессом в области технологий. Поэтому многие продолжают учиться на протяжении всей своей карьеры. Это может быть полезно, особенно когда речь идет об изучении новых навыков или улучшении существующих. Например, поскольку относительная стоимость исправления ошибки увеличивается по мере продвижения в цикле разработки программного обеспечения, может быть большая экономия средств, приписываемая разработке и тестированию качественного кода как можно раньше в процессе, особенно перед выпуском. [22]

Профессии

Человек, имеющий профессию в области компьютерной инженерии, называется компьютерным инженером.

Приложения и практика

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

Инженерия компьютерного оборудования

Согласно BLS , Job Outlook employment for computer hardware engineers, ожидаемый десятилетний рост с 2019 по 2029 год для компьютерной аппаратной инженерии оценивается в 2% и в общей сложности 71 100 рабочих мест. («Медленнее среднего» по их собственным словам по сравнению с другими профессиями)». [23] Это снижение по сравнению с оценкой BLS на 2014–2024 годы в 3% и в общей сложности 77 700 рабочих мест. « [23] и снижение с 7% для оценки BLS на 2012–2022 годы [23] и дальнейшее снижение с 9% в оценке BLS на 2010–2020 годы. [23] «Сегодня компьютерное оборудование каким-то образом равно [ необходимо разъяснение ] электронной и компьютерной инженерии (ECE) и разделено на множество подкатегорий; наиболее значимой [ необходима ссылка ] является проектирование встроенных систем. [21]

Разработка программного обеспечения для компьютеров

По данным Бюро трудовой статистики США (BLS), «инженеры-программисты компьютерных приложений и инженеры-программисты компьютерных систем, по прогнозам, будут среди профессий, которые растут быстрее среднего». Ожидаемый десятилетний рост по состоянию на 2014 год для инженерии компьютерного программного обеспечения оценивался в семнадцать процентов, и в том же году было создано в общей сложности 1 114 000 рабочих мест. [24] Это ниже оценки BLS на 2012–2022 годы в 22% для разработчиков программного обеспечения. [25] [24] И еще ниже оценки BLS на 2010–2020 годы в 30%. [26] Кроме того, растущая обеспокоенность по поводу кибербезопасности приводит к тому, что инженерия компьютерного программного обеспечения намного превышает средний темп роста для всех областей. Однако часть работы будет передана на аутсорсинг в зарубежные страны. [27] Из-за этого рост рабочих мест не будет таким быстрым, как в течение последнего десятилетия, поскольку рабочие места, которые достались бы инженерам-программистам в Соединенных Штатах, вместо этого достались бы инженерам-программистам в таких странах, как Индия. [28] Кроме того, прогноз занятости BLS для программистов на 2014–24 годы составляет −8% (снижение, по их словам), [28] затем прогноз занятости на 2019–29 годы составляет -9% (снижение), [29] затем 10%-ное снижение на 2021–2031 годы [29] и теперь 11%-ное снижение на 2022–2032 годы [29] для тех, кто программирует компьютеры (т. е. встроенные системы), но не является разработчиками компьютерных приложений. [30] [31] Кроме того, число женщин в области программного обеспечения с годами сокращается даже быстрее, чем в других областях инженерии. [32]

Лицензирование и практика компьютерной инженерии

Компьютерная инженерия, как правило, практикуется в крупных фирмах по разработке продуктов, и такая практика может не подлежать лицензированию. [33] [34] Однако независимые консультанты, рекламирующие компьютерную инженерию, как и любую форму инженерии, могут подпадать под действие государственных законов, которые ограничивают профессиональную инженерную практику только теми, кто получил соответствующую лицензию. [35] [36] Национальный совет экзаменаторов по инженерии и геодезии (NCEES) впервые предложил Принципы и практику инженерного экзамена по компьютерной инженерии [37] в 2003 году.

Специализированные области

В области компьютерной инженерии существует множество специализированных направлений.

Конструкция процессора

Процесс проектирования процессора включает выбор набора инструкций и определенной парадигмы выполнения (например, VLIW или RISC) и приводит к микроархитектуре, которая может быть описана, например, на VHDL или Verilog. Проектирование ЦП делится на проектирование следующих компонентов: тракты данных (такие как АЛУ и конвейеры), блок управления: логика, которая управляет трактами данных, компоненты памяти, такие как файлы регистров, кэши, схемы синхронизации, такие как драйверы тактовых импульсов, ФАПЧ, сети распределения тактовых импульсов, схемы приемопередатчика падов, библиотека ячеек логических вентилей, которая используется для реализации логики.

Кодирование, криптография и защита информации

Исходный код, написанный на языке программирования C

Инженеры-компьютерщики работают в области кодирования, прикладной криптографии и защиты информации, чтобы разрабатывать новые методы защиты различной информации, такой как цифровые изображения и музыка, от фрагментации, нарушения авторских прав и других форм вмешательства, например, с помощью цифровых водяных знаков . [38]

Связь и беспроводные сети

Те, кто сосредоточен на коммуникациях и беспроводных сетях, достижениях в области телекоммуникационных систем и сетей (особенно беспроводных сетей), модуляции и кодировании с контролем ошибок, а также теории информации. Высокоскоростное проектирование сетей , подавление помех и модуляция, проектирование и анализ отказоустойчивых систем , а также схемы хранения и передачи данных являются частью этой специальности. [38]

Компиляторы и операционные системы

Windows 10, пример операционной системы

Эта специальность фокусируется на проектировании и разработке компиляторов и операционных систем . Инженеры в этой области разрабатывают новую архитектуру операционных систем, методы анализа программ и новые методы для обеспечения качества. Примерами работ в этой области являются разработка алгоритма преобразования кода после компоновки и разработка новой операционной системы. [38]

Вычислительная наука и техника

Вычислительная наука и инженерия — относительно новая дисциплина. Согласно данным Sloan Career Cornerstone Center, люди, работающие в этой области, «применяют вычислительные методы для формулирования и решения сложных математических задач в области инженерии, физических и социальных наук. Примерами служат проектирование самолетов, плазменная обработка нанометровых элементов на полупроводниковых пластинах, проектирование схем СБИС , системы обнаружения радаров, транспорт ионов по биологическим каналам и многое другое». [38]

Компьютерные сети, мобильные вычисления и распределенные системы

В этой специальности инженеры создают интегрированные среды для вычислений, коммуникаций и доступа к информации . Примерами являются беспроводные сети с общим каналом, адаптивное управление ресурсами в различных системах и улучшение качества обслуживания в мобильных и ATM-средах. Некоторые другие примеры включают работу над беспроводными сетевыми системами и быстрыми кластерными проводными системами Ethernet. [38]

Компьютерные системы: архитектура, параллельная обработка и надежность

Пример процессора компьютера

Инженеры, работающие в компьютерных системах, работают над исследовательскими проектами, которые позволяют создавать надежные, безопасные и высокопроизводительные компьютерные системы. Такие проекты, как проектирование процессоров для многопоточной и параллельной обработки, включены в эту область. Другие примеры работы в этой области включают разработку новых теорий, алгоритмов и других инструментов, которые добавляют производительность компьютерным системам. [38]

Архитектура компьютера включает в себя конструкцию центрального процессора , иерархию кэш-памяти , организацию памяти и балансировку нагрузки .

Компьютерное зрение и робототехника

Пример человекоподобного робота

В этой специальности компьютерные инженеры сосредоточены на разработке технологии визуального восприятия для восприятия окружающей среды, представления окружающей среды и манипулирования окружающей средой. Собранная трехмерная информация затем применяется для выполнения различных задач. К ним относятся улучшенное моделирование человека, передача изображений и интерфейсы человек-компьютер, а также такие устройства, как специальные камеры с универсальными датчиками зрения. [38]

Встроенные системы

Примеры устройств, использующих встроенные системы

Люди, работающие в этой области, проектируют технологии для повышения скорости, надежности и производительности систем. Встроенные системы можно найти во многих устройствах, от небольшого FM-радио до космического челнока. По данным Sloan Cornerstone Career Center, текущие разработки в области встроенных систем включают «автоматизированные транспортные средства и оборудование для проведения поисково-спасательных работ, автоматизированные транспортные системы и координацию действий человека и робота для ремонта оборудования в космосе». [38] По состоянию на 2018 год специализации в области встроенных компьютерных систем включают проектирование систем на кристалле , архитектуру периферийных вычислений и Интернет вещей .

Интегральные схемы, проектирование СБИС, тестирование и САПР

Эта специальность компьютерной инженерии требует адекватных знаний электроники и электрических систем. Инженеры, работающие в этой области, работают над повышением скорости, надежности и энергоэффективности сверхбольших интегральных схем ( СБИС ) и микросистем следующего поколения. Примером этой специальности является работа по снижению энергопотребления алгоритмов и архитектуры СБИС. [38]

Обработка сигналов, изображений и речи

Инженеры-компьютерщики в этой области разрабатывают усовершенствования взаимодействия человека и компьютера, включая распознавание и синтез речи, медицинскую и научную визуализацию или системы связи. Другие работы в этой области включают разработку компьютерного зрения, например, распознавание черт лица человека . [38]

Квантовые вычисления

Эта область объединяет квантовое поведение малых частиц, такое как суперпозиция , интерференция и запутанность , с классическими компьютерами для решения сложных задач и более эффективного формулирования алгоритмов. Специалисты фокусируются на таких областях, как квантовая криптография , физическое моделирование и квантовые алгоритмы .

Преимущества инженерии для общества

Доступный путь получения информации и возможностей в области технологий, особенно для молодых студентов, — это цифровые платформы, позволяющие учиться, исследовать и потенциально получать доход с минимальными затратами и на региональных языках, что было бы невозможно без инженеров. [39] Компьютерная инженерия играет важную роль в изменениях, связанных с Индустрией 4.0, поскольку инженеры отвечают за проектирование и оптимизацию технологий, которые окружают нашу жизнь, от больших данных до искусственного интеллекта. Их работа не только облегчает глобальные связи и доступ к знаниям, но и играет ключевую роль в формировании нашего будущего, поскольку технологии продолжают стремительно развиваться, что приводит к растущему спросу на квалифицированных компьютерных инженеров. [40] Инженерия вносит вклад в улучшение общества, создавая устройства и структуры, влияющие на различные аспекты нашей жизни, от технологий до инфраструктуры. Инженеры также решают такие проблемы, как защита окружающей среды и устойчивое развитие, одновременно разрабатывая методы лечения. [41] По состоянию на 2016 год средняя годовая заработная плата по всем категориям инженеров BLS составляла более 91 000 долларов США. Некоторые были намного выше, с инженерами, работающими в нефтяных компаниях, на самом верху (более $128,000). Другие ведущие должности включают: инженер компьютерного оборудования - $115,080, инженер аэрокосмической техники - $109,650, инженер-атомщик - $102,220. [42]

Смотрите также

Связанные поля

Ассоциации

Ссылки

  1. ^ IEEE Computer Society ; ACM (12 декабря 2004 г.). Computer Engineering 2004: Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Computer Engineering (PDF) . стр. iii. Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2019 г. Получено 17 декабря 2012 г. Computer Systems engineering традиционно рассматривалась как сочетание электронной инженерии (EE) и компьютерных наук (CS).
  2. ^ Тринити-колледж Дублин. "Что такое компьютерная системная инженерия" . Получено 21 апреля 2006 г., «Компьютерным инженерам необходимо не только понимать, как работают сами компьютерные системы, но и как они интегрируются в более общую картину. Рассмотрим автомобиль. Современный автомобиль содержит множество отдельных компьютерных систем для управления такими вещами, как синхронизация двигателя, тормоза и подушки безопасности. Чтобы иметь возможность спроектировать и реализовать такой автомобиль, компьютерному инженеру необходимо широкое теоретическое понимание всех этих различных подсистем и того, как они взаимодействуют.
  3. ^ "Changing Majors @ Clemson". Университет Клемсона . Получено 20 сентября 2011 г.
  4. ^ "Объявление специальности "Инженерный колледж"". Университет Арканзаса. Архивировано из оригинала 12 октября 2014 года . Получено 20 сентября 2011 года .
  5. ^ "Требования к степени". Университет Карнеги-Меллона . Получено 20 сентября 2011 г.
  6. ^ "Programas de Materias" (на испанском языке). Католический университет Аргентины.
  7. ^ "Джон Винсент Атанасов - отец компьютера". www.columbia.edu . Получено 5 декабря 2017 г. .
  8. ^ "Реплика первого электронного цифрового компьютера из Университета штата Айова отправляется в Музей компьютерной истории - Служба новостей - Университет штата Айова". www.news.iastate.edu . Получено 5 декабря 2017 г.
  9. ^ "1947: Изобретение точечного транзистора". Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Получено 9 октября 2019 г.
  10. ^ US2802760A, Линкольн, Дерик и Фрош, Карл Дж., «Окисление полупроводниковых поверхностей для контролируемой диффузии», выпущено 1957-08-13 
  11. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  12. ^ Lojek, Bo (2007). История полупроводниковой инженерии . Springer Science & Business Media . стр. 120 и 321–323. ISBN 9783540342588.
  13. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). В цифровую эпоху: исследовательские лаборатории, стартапы и рост технологии МОП. Johns Hopkins University Press . стр. 46. ISBN 9780801886393.
  14. ^ US 3025589 Hoerni, JA: «Способ изготовления полупроводниковых приборов», подан 1 мая 1959 г. 
  15. ^ Саксена, Арджун Н. (2009). Изобретение интегральных схем: невысказанные важные факты. World Scientific . стр. 140. ISBN 9789812814456.
  16. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  17. ^ "1971: Микропроцессор интегрирует функцию ЦП на одном кристалле". Музей истории компьютеров . Получено 22 июля 2019 г.
  18. ^ "История". engineering.case.edu . Инженерная школа Кейса. 5 января 2017 г.
  19. ^ "Найти аккредитованную ABET программу | ABET". main.abet.org . Получено 29 ноября 2015 г. .
  20. ^ "Школа инженерии и компьютерных наук Эрика Йонссона". Техасский университет в Далласе . 8 января 2024 г.
  21. ^ ab "Computer Hardware Engineers". Бюро статистики труда. 8 января 2014 г. Получено 20 июля 2012 г.
  22. ^ "Feabhas_Infographic_FINAL" (PDF) . феабхас .
  23. ^ abcd «Инженеры компьютерного оборудования: Справочник по профессиональным перспективам». Бюро статистики труда США.
  24. ^ ab «Разработчики программного обеспечения: Справочник по профессиональным перспективам». Бюро статистики труда США.
  25. ^ "Инженер-программист". Бюро статистики труда. 19 марта 2010 г. Архивировано из оригинала 26 июля 2013 г. Получено 20 июля 2012 г.
  26. ^ "Разработчики программного обеспечения". Бюро статистики труда. 8 января 2014 г. Получено 21 июля 2012 г.
  27. ^ «Технологические компании хотят, чтобы вы поверили, что в Америке есть дефицит навыков». Bloomberg . 4 августа 2020 г.
  28. ^ ab «Программисты: Справочник по профессиональным перспективам». Бюро статистики труда США.
  29. ^ abc "Программисты: Справочник по профессиональным перспективам: Бюро статистики труда США". www.bls.gov .
  30. ^ «Архив по публикации: За пределами цифр: Бюро статистики труда США». www.bls.gov .
  31. ^ «Скоро исчезнувший инженер по встроенному программному обеспечению». designnews.com . 10 мая 2018 г.
  32. ^ "Портал разработчиков HP | Международная женская неделя HP: число женщин в компьютерных науках снижается с 1980-х годов". developers.hp.com .
  33. ^ «Разделы общего устава — Генеральная ассамблея Северной Каролины». www.ncleg.gov .
  34. ^ "GS 89C-3". www.ncleg.gov .
  35. ^ "§ 89C-23". www.ncleg.gov .
  36. ^ "Профессиональное лицензирование для компьютерных инженеров и инженеров программного обеспечения". IEEE-USA InSight . 14 апреля 2015 г. Получено 6 января 2020 г.
  37. ^ "PE Electrical and Computer exam, [NCEES]". Архивировано из оригинала 18 сентября 2020 г. Получено 13 декабря 2019 г.
  38. ^ abcdefghij "Обзор компьютерной инженерии" (PDF) . Sloan Career Cornerstone Center. Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2012 г. . Получено 20 июля 2012 г. .
  39. ^ . S2CID  216185589. {{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ) ; Отсутствует или пусто |url=( помощь )
  40. ^ Ю, Вэньцзинь; Диллон, Тарам; Мостафа, Фахед; Рахаю, Вэнни; ​​Лю, Юэхуа (2020). «Глобальная производственная экосистема больших данных для обнаружения неисправностей при предиктивном обслуживании». Труды IEEE по промышленной информатике . 16 : 183–192. doi : 10.1109/TII.2019.2915846. S2CID  164670300. Получено 26 октября 2023 г.
  41. ^ «Каковы преимущества изучения инженерии?». www.linkedin.com . Получено 26 октября 2023 г. .
  42. ^ "8 причин получить инженерное образование, которые могут вас удивить". Eastern Nazarene College . Получено 26 октября 2023 г.

Внешние ссылки