Компьютерная инженерия ( CoE или CpE ) — это отрасль электротехники , которая объединяет несколько областей электротехники , электронной инженерии и компьютерных наук, необходимых для разработки компьютерного оборудования и программного обеспечения . [1] В некоторых университетах компьютерную инженерию называют электротехнической и компьютерной инженерией ИЛИ компьютерными науками и 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 компьютерных наук 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 специализацией. [3] [4] [5] [6]
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]
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 [обновлять]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.
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 по компьютерной инженерии похожа на электротехнику, но в учебную программу добавлены некоторые курсы по компьютерной науке ». [21] Для некоторых крупных фирм или специализированных работ требуется степень магистра.
Для компьютерных инженеров также важно идти в ногу с быстрым прогрессом в технологиях . 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 затрат, приписываемая разработке и тестированию качественного кода как можно раньше в процессе, особенно перед выпуском. [22]
Человек, имеющий профессию в области компьютерной инженерии, называется компьютерным инженером.
В компьютерной инженерии есть два основных направления: аппаратное и программное обеспечение.
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 области компьютерной аппаратной инженерии на 3% и в общей сложности 77 700 рабочих мест; « и снижение с 7% для оценки BLS на 2012–2022 годы и дальнейшее снижение с 9% в оценке BLS на 2010–2020 годы » . [23] Сегодня компьютерное оборудование в некоторой степени равно [ необходимо разъяснение ] электронной и компьютерной инженерии (ECE) и разделено на множество подкатегорий, наиболее значимой [ необходима ссылка ] является проектирование встроенных систем . [21]
По данным Бюро трудовой статистики США (BLS), « инженеры-программисты компьютерных приложений и инженеры-программисты компьютерных систем, по прогнозам, будут среди профессий, растущих быстрее среднего ». Ожидаемый десятилетний рост по состоянию на 2014 год [обновлять]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 темпы роста инженерии компьютерного программного обеспечения значительно превышают средние показатели 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 последнее десятилетие, поскольку рабочие места, которые в Соединенных Штатах достались бы инженерам-программистам, вместо этого достались бы инженерам-программистам в таких странах, как Индия. [28] Кроме того, прогноз занятости программистов BLS на 2014–24 годы составил −8% (снижение, по их словам), [28] затем прогноз занятости на 2019–29 годы составил -9% (снижение), [29] затем снижение на 10% на 2021–2031 годы [29] и теперь снижение на 11% 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 инженерных областях. [32]
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.
В области компьютерной инженерии существует множество специализированных направлений.
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.
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 фальсификации, например, с помощью цифровых водяных знаков . [38]
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]
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 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 характеристик на полупроводниковых пластинах, проектирование схем СБИС , системы обнаружения радаров, транспорт ионов по биологическим каналам и многое другое ». [38]
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]
Инженеры, работающие в компьютерных системах, работают над исследовательскими проектами, которые позволяют создавать надежные, безопасные и высокопроизводительные компьютерные системы. Такие проекты, как проектирование процессоров для многопоточности 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 .
_ITB_2017.JPG/1280px-Humanoid_Robot_(1)_ITB_2017.JPG)
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]
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 [обновлять]специализации в области встроенных компьютерных систем включают проектирование систем на кристалле , архитектуру периферийных вычислений и Интернет вещей .
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]
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]
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 .
Доступный путь получения информации и возможностей в области технологий, особенно для молодых студентов, — это цифровые платформы, позволяющие учиться, исследовать и потенциально получать доход при минимальных затратах 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]
Computer Systems engineering традиционно рассматривалась как сочетание электронной инженерии (EE) и компьютерных наук (CS).
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ) ; Отсутствует или пусто |url=( помощь )
Медиа, связанные с компьютерной инженерией на Wikimedia Commons