פיתוח של מחשב מוקדם חומרה והשפעה שלה על עיצוב הנדסי

פיתוח של מחשב מוקדם חומרה והשפעה שלה על עיצוב הנדסי

מסלול ההנדסה המודרנית השתנה באופן יסודי על ידי האבולוציה המהירה של חומרת מחשב מוקדמת.ממאה ה-20 ואילך, חידושים בעיצוב חומרה עיצבו מחדש כיצד מהנדסים ניגשו לפתרון בעיות, ארכיטקטורת המערכת ופיתוח המוצר.ההגבלות והפריצות של אותו עידן הקימו עקרונות שעדיין מבוססים כדי להנחות מהנדסי חומרה ומעצבים בתעשיות.זה חוקרת את מקורות החומרה המוקדמת, את ההחידושים המרכזיים שהגדרתם, כיצד שיטות תכנון רלוונטיות עדיין פועלות כיום.

מקור: Early Computer Hardware

(המחשבים הראשונים לא היו ⁇ , מכשירים ניידים של היום; הם היו מתקנים בגודל חדר, צריכת חשמל עצום ודורשים תחזוקה מתמדת.מכונות כגון FLT:0ENIACIRFLT:1 (חשמליות ומערכת מחשוב), אשר הושלמו רק ב-1945, ו-FLT:2UNIVAC IFLT3 (מספקים אוטומטיים) למערכות חישוביות, לעומת זאת, 5.

ה-ENIAC הכיל כ-17468 צינורות ואקום, 7,200 דיודות גבישיות, 1,500 ממסרים, 70 אלף מתנגדים, ו-10,000 קיבולים.צריכת החשמל שלה עלתה על 150 קילוואט, והיא שקלה כמעט 30 טון.העיצוב של המכונה דרש תשומת לב זהירה לפירוק חום, יושרה אות ואמינות רכיב - מעכבת את המהנדסים שעצבו ישירות למערכות גדולות של מאו, כמו חלוצים, כמו חלוצים, עיצוב, ג'ון, שנים רבות, ג'ון, עיצוב, ג'ון, ג'ון ניאוק, השפעה הנדסית, ואפקטינית, ג'ון Hotchanal הנדסה, ישפיע על בסיס הנדסה, הנדסת מכונות הנדסית, הנדסת מכונות הנדסית, אשר עיצבו של ג'ון Hotchanal הנדסה, השפעה.

ארכיון התגים: Post-War Engineering

התפתחות חומרת מחשב מוקדמת התרחשה בתקופה של תחרות טכנולוגית אינטנסיבית וקידום מדעי מהיר.מלחמת העולם השנייה העמיקה מחקר בתחום האלקטרוניקה, הקריפטוגרפיה והבליסטים, ויצרה דרישה חזקה למימון חישוב אוטומטי, מעבדות אוניברסיטה וחטיבות מחקר תאגידיות שנועדו לבנות מכונות מתוחכמים יותר ויותר.ה-FLT:0Cold WarFLT:1) השקעה נוספת במיחשוב עבור יישומים צבאיים, כלי נשק גרעיניים, ופרויקטים של פתרונות אוויריים בלתי מוגבלים לניסויים מסוכנים (Ricialיים) וניסויים אלה היו מסוגלים לניסויים בלתי מוגבלים לתהליכי חירום) וניסויים עתידיים.

המחשבים הראשונים נבנו על ידי צוותים שכללו מהנדסי חשמל, מתמטיקאים ופיזיקאים. עבודתם הייתה מעורבת לא רק בעיצוב מעגלי אלא גם פיתוח טכניקות תכנות, שיטות קלט/קידוד ומערכות זיכרון.הטבע הרב-תחומי של פרויקטים אלה ביסס דפוס של שיתוף פעולה נשאר מרכזי בתכנון הנדסי כיום.

חידושים מרכזיים במחשב מוקדם

ניתן לעקוב אחר האבולוציה של חומרת מחשב באמצעות סדרה של מעברים טכנולוגיים, כל אחד מהם מתייחס למגבלות ספציפיות של הדורות הקודמים. חידושים אלה לא רק שיפור ביצועים חישוביים אלא גם הציג עקרונות עיצוב חדשים שהמהנדסים מאוחר יותר הגישו בתחומים אחרים.

מ- Vacuum tubes to Transistors (1950s)

צינורות Vacuum היו המרכיבים הפעילים של מחשבים הדור הראשון.הם פעלו כמתגים ומגברים אבל היו להם חסרונות חמורים: צריכת חשמל גבוהה, דור חום משמעותי, תקופות חיים תפעוליות קצרות (לעתים קרובות כמה אלפי שעות), ופגמנטליות פיזית.כשל צינור יכול לעצור מכונה שלמה, המחייב טכנאים לאתר ולהחלפת המרכיב הפגם.

המצאתם של הטרנזיסטורים (FLT:0) רנסנסיסטאור (FLT) ב- Bell Labs בשנת 1947, ואחריו התפתחותם של טרנזיסטורים סיליקון מעשי בתחילת שנות החמישים, שינתה את כל הדברים. טרנזיסטורים ביצעו את אותם פונקציות כמו צינורות ריק אך היו קטנים יותר, אמינים יותר, נצרך הרבה פחות כוח, ויצרו פחות חום.

שינוי זה גם הציג אתגרים הנדסיים חדשים: אריזות טרנזיטור, ניהול תרמי של רכיבים ארוזים בצפיפות, ואת הצורך תהליכים ייצור מדויקים מהנדסים היה ללמוד טכניקות עיצוב חדשות עבור לוחות מעגלים מודפסים, שיטות ייצור, ומערכות קירור.המהפכת הטרנסנזיטור ביססה מיניוס ויעילות כמטרות עיצוב ראשוניות.

המעגל המשולב (1960s)

פריצת הדרך הבאה הגיעה עם ה-FLT:0 (המרכז) המאגד את המעגל של ההרחבה 1 (IC), שהומצאה באופן עצמאי על ידי ג'ק קילבי בטקסס מכשירים ורוברט נוייס ב- Fairchild Semiconductor בסוף שנות החמישים. An IC שילב מספר רב של טרנזיסטורים, מתנגדים, ו- capacitors על מצע מוליכים למחצה, תוך צמצום הצורך במרכיבים וקשרים נוספים שאפשרו למהנדסים יותר למהנדסים.

לפיתוח IC היו השלכות עמוקות על תכנון הנדסי.זה עודד את ה-FLT:0 â € ¢ â ¢ â ¢ â ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ICs מוקדם הכיל רק כמה טרנזירים (אינטגרציה בקנה מידה קטן, SSI), אבל בסוף שנות ה-60, שילוב בינוני (MSI) אפשר עשרות עד מאות טרנזיסטורים ל- השבבים.TheFLT:0Apollo Guidance ComputerFLT:1 (AGC) השתמש באדריכלות מוקדמת של ICs, המוכיח כי מעגלים משולבים יכולים להופיע באופן אמין בתנאים קיצוניים של חלל התעופה AGC, ו-Res, אשר השפיעו על ידי פיתוח מערכות IC.

מיקרו-מעבד (1970s)

יחידת העיבוד המרכזית מלאה במעגל משולב יחיד – הוצגה בתחילת שנות ה-70 עם אינטל 4004 (1971) ו- Intel 8080 (1974).המיקרו-מעבד לכד את יחידת הלוגיקה של האנתרופולוגיה, יחידת הבקרה, הרישום, ולעיתים הזיכרון על שבב יחיד.

(המהנדסים המכונים "מעבדים" לחשוב אחרת על עיצוב המערכת.במקום לעצב לוגיקה אישית עבור כל יישום, מהנדסים יכולים ליצור מערכות שניתן לתכנתן באמצעות תוכנה.שינוי זה מ-FLT:0hardwired כדי לתכנן לוגיקה אישית עבור כל יישום, עיצוב 1:1 יכול היה ליצור השלכות מרחיקות לכת: זה הפחית את הצורך של מחזורי פיתוח מוצר מיוחדים, מואצים, וניתן לעדכונים שלאחר סימולציה.

טכנולוגיות זיכרון

מחשבים מוקדמים השתמשו במגוון טכנולוגיות זיכרון, כל אחת עם זמני גישה הנדסיים משלה (FLT:0 Magnetic תופים זיכרון FLT:1 סיפק אחסון לא-וולטי, אך עם זמני גישה איטיים (עשרות שניות) (FLT:2 Magnetic Identity MemoryFLT 3:3), שפותחו בשנות החמישים, הציעו גישה אקראית מהירה יותר (טווח השני) וטכנולוגיית הליבה הייתה זקוקה לזיכרון ליבה אמין עד לריבית, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לזיכרון ליבה של עבודת הליבה היה קיים, אך ורק בשלהי שנות ה-מסלולאריכי הוא היה צורך בשלהי שנות ה-מסלולארי.

התפתחותו של זיכרון ה-FLT:0 (Smiconductor MemoryFreaLT:1) בסוף שנות ה-60 וה-70 ייצגה אבן דרך חשובה נוספת.זיכרון Semiconductor היה מהיר יותר, קטן וזול יותר לייצר בקנה מידה מאשר זיכרון הליבה. מהנדסים יכולים לעצב כעת מחשבים עם יכולות זיכרון גדולות בהרבה, המאפשרים מערכות הפעלה מתוחכמות יותר ויישומים.

השפעות על חידושים מוקדמים של חומרה על עיצוב הנדסי

האבולוציה של חומרת מחשב מוקדמת לא התרחשה בוואקום.אתגרי העיצוב שהמהנדסים התמודדו איתם – והפתרונות שפיתחו – הקימו מערך עקרונות שהציבו את כל ההנדסה.עקרונות הללו לא רק תיאורטיים; הם הפכו לטבוליים בתוכניות לימוד חינוכיות, בסטנדרטים תעשייתיים ותהליכי עיצוב תאגידיים.

מודולריות וסטנדרטיזציה

אחת התרומות המשמעותיות ביותר של חומרת מחשב מוקדמת לתכנון הנדסי הייתה הרעיון של (FLT:0modularityph:1 ).ENIAC עצמה נבנתה מיחידות משתנות: כל אחד מארבעים לוחות שלה הכיל מודולים פונקציונליים דומים.כאשר צינור ואקום נכשל, טכנאים יכולים להחליף את כל הפאנל ולא לפתור רכיבים בודדים.

אימוץ מעגלים משולבים ומיקרו-מעבדים מאוחר יותר מחזק את המודולריות של משפחות הרכיב הסטנדרטי - כגון סדרה 7400 של שבבי לוגיקה TTL - אפשרו למהנדסים לבנות מערכות מורכבות מאבני בניין קטלוג.זה הפחית את הצורך בעיצוב מותאם אישית ותאפשר הסתברות מהירה של הסתברות.מודולריות גם להקל על FLT:0design ReusesFLT:1, שבו תת-מערכתיות מוכחות יכול להיות פרוסת על פני מוצרים מרובים, ולהפחית זמן.

(FLT:0)StandardizationFLT:1 ואחריו טבעי ממודולריות. תקני תעשייה עבור ממשקים, סיכות, רמות אות, ואדריכלות אוטובוס (למשל, RS-232, IEEE-488, PCI, USB מאוחר יותר) אפשר רכיבים מיצרנים שונים לעבוד יחד.מהנדסים יכולים להתמקד באינטגרציה ברמת המערכת ולא להמציא מחדש בלוקים בסיסיים.

מיניטור וחבילה של הכחשות

הדחף הבלתי פוסק להפחית את גודל הגידול בצפיפות הרכיב הוא סימן ההיכר של פיתוח חומרה ממוחשבת, המתואר לעתים קרובות על ידי חוק מור.כל דור של טכנולוגיה אפשר למהנדסים לארוז פונקציונליות נוספת לתוך שטח קטן יותר.מגמה זו לא הייתה מוגבלת למחשבים; היא השפיעה על תכנון הנדסי באווירה, מכשירים רפואיים, ואלקטרוניקה צרכנית.

המיניגלגלציה דרשה גישות חדשות ל-FLT:0 , ניהול יתר של ניהול ההרחבה:1 ; בעוד שמרכיבים היו ארוזים יותר חזק, פיזור חום הפך לאימון קריטי.מהנדסים פיתחו כיור חום, אוהדים, קירור נוזלי, וחומרים תרמיים של ממשק כדי לשמור על טמפרטורות הפעלה בטוחות.טכניקות אלה מוחלות כעת על כל דבר מסמארטפונים למרכזי נתונים.

המיניגלגליזציה גם הניעה חידושים ב-FLT:0 (הדיוקנות של הדיוקן) 1 ( Photolithography, etching, ו-Deposition פיל-סרטים דקים – טכנולוגיות שפותחו עבור ייצור מעגלים משולבים - אנו מותאמים למוצרים אחרים, כגון חיישנים MEMS, מכשירים מיקרו-השפעהיים, ואופטיקה מתקדמת.

אחריות וסובלנות

מחשבים מוקדמים היו בלתי אמינים לשמצה.כשלי צינור Vacuum יכולים להתרחש כל כמה שעות, המחייבים מעקב קבוע.המציאות הזאת הכריחו מהנדסים לתכנן מערכות שיכולות FLT:0;0 detect והחלמה מכישלונות FLT:1 באופן אוטומטי.טכניקות כגון קודים תיקון שגיאות (זיכרון C), ריצוף אדום (dual or משולש מודולרי), ובדיקת עצמי היו שגרתיות במחשבים ראשיים, כמו גם מחשבים קריטיים, כמו מחשבים קריטיים, קריטיים, כמו מחשבים, קריטיים, כמו מחשבים קריטיים, קריטיים, ומכשירים, ומכשירים, ומכשירים, מאוחר יותר, ומכשירים, כמו גם מחשבים קריטיים, כמו גם מחשבים קריטיים, כמו גם מחשבים.

הדגש על האמינות הוביל גם לטמפרטורות קפדניות:0 (מבחן ובקרת איכות) תהליכי בקרה 1:1 Burn-in (מרכיבים בטמפרטורות גבוהות כדי להאיץ את תמותה לתינוקות), בקרת תהליכים סטטיסטית, וניתוח כישלונות הפך לשיטות סטנדרטיות בייצור.מהנדסים למדו לצפות מצבי כישלון ושולי תכנון כדי להתאים את סובלנות הייצור - עקרונות אשר נלמדים כעת בכל משמעת הנדסית.

סקלאלה ועתיד-Proofing

מעצבי המחשב המוקדמים הבינו במהירות כי מערכות צריכות לצמוח עם הביקוש.ה-FLT:0 (IBM System/Build360FLT:1 (1964) הייתה דוגמה מרכזית לעיצוב בר-קיימא במקום להציע מחשב אחד, IBM הציגה משפחה של מכונות תואמות החל מקטן ועד גדול מאוד, כל באמצעות אותה ארכיטקטורת הוראה ומערכת הפעלה.

סקלאלה הפכה לדרישה עיצובית לא רק למחשבים, אלא כמעט לכל מערכת ממונדסת.מהנדסים החלו לשקול את ה-FLT:0 (FLT:1) כאשר מעצבים את אספקת החשמל, כאסאסים, כוכבי אחוריים, ממשקי תקשורת.היכולת להוסיף יכולת מבלי לעצב מחדש את המערכת הפכה לתועלת תחרותית.

אנרגיה וניהול כוח

בעוד מחשבים מוקדמים של וואקום צרכו כמויות עצומות של כוח, המעבר לטרנסיסטורים ועיגולים משולבים הביא יעילות אנרגיה לחזית.מהנדסים זיהו כי צמצום צריכת החשמל לא רק להוריד עלויות התפעול אלא גם מופחת חום, אשר שיפר אמינות ותאפשר אריזות צפופות יותר.זה הוביל לחידושים ב-FLT:0low-power Circle designFLT:1) - תוך שימוש משלים מול מתכת-חמצני-מוליכים (CM), ולהפחית אנרגיה למזערית, למזערית, לצמצום.

יעילות אנרגיה הפכה לאימון עיצוב קריטי במכשירים המופעלים על ידי סוללות (רדיוים, מחשבים, מחשבים ניידים וסמארטפונים מאוחרים יותר) ומרכזי נתונים גדולים שבהם עלויות חשמל שולטות בהוצאות התפעוליות.הטכניקות שפותחו עבור מחשב - עיצוב אספקת חשמל, סימולציה תרמית, ביעילות DC-DC המרה - מוחלות כעת באופן רחב, ממכשירי בית ועד כלי רכב חשמליים.

עיצוב ליעילות ומבחן

המורכבות של מהנדסי חומרה ממוחשבים מוקדמים נאלצים לשקול ייצור ובדיקה מההתחלה.FLT:0Design for Manufacturability (DFM)BuildFLT:1) פירושה בחירת רכיבים שהיו זמינים, עיצוב מעגלים שניתן לאסוף עם ציוד אוטומטי, ולהימנע משגיאות פריסה אשר יגדילו את עלויות הייצור.

מושגים אלה הפכו לסטנדרט בהנדסה חשמלית, והם נלמדים כעת כחלק מתהליך פיתוח המוצר.הם השפיעו גם על הנדסה מכנית, הנדסה אזרחית והנדסה תוכנה, שבו בדיקות ותהליכי ייצור משולבים בשלב העיצוב ולא מתייחסים אליהם כאל מחסומים.

מורשת והשפעה מודרנית

העבודה החלופית בחומרה ממוחשבת מוקדמת קבעה את הבמה לעידן הדיגיטלי.העקרונות שצמחו מעידן צינורות הריק, הטרנסיסטורים, מעגלים משולבים ומיקרו-מעבדים נשארים מרכזיים בתכנון הנדסי כיום.מהנדסים ממשיכים לרדוף אחר מיניארציה, יעילות אנרגיה, אמינות, מודולריות, וסקאלות, עכשיו בקנה מידה שהחלוצים המוקדמים יכלו רק לדמיין.

מיקרומעבדים מודרניים מכילים מיליארדי טרנזיסטורים על שבב בגודל של טכנולוגיות זיכרון אצבע.המתקדמים מליבת מגנטית לפלאש ו- DRAM עם יכולות נמדדות בג'יגהביטים.אבל שיטת העיצוב הבסיסית – באמצעות ממשקים סטנדרטיים, ניהול מגבלות תרמיות, בנייה באדום, ועיצוב לייצור – מטמון את השורשים שלהם ישירות למהנדסים שבנו את המחשבים הראשונים.

השפעה על שדות הנדסה ספציפיים

• (FLT:0) הנדסת חלל: 1FLT טכניקות האמינות שפותחו עבור מחשבים מוקדמים (מערכות מקודמות, תיקון שגיאות, בדיקות יסודיות) הן חיוניות לשימוש של חלליות מחשבי אפולו גווינדנד המחשב של ICs סללה את הדרך למשימות מאוחרות יותר.
• (FLT:0) הנדסת קטר: 1 מיקרומעבדים שולטים כיום בניהול מנוע, מערכות מתפתלות, מידע ותכונות בטיחות. עקרונות עיצוב מחומרה של מחשב - כגון תקשורת אוטובוס (אוטובוס CAN) וסובלנות אשמה - הם חלק בלתי נפרד עיצוב רכב.
• (FLT:0)Consumer Electronicseur:FLT:1 Theכונן למיניסטרציה וצריכת חשמל נמוכה אפשרה טלפונים חכמים, לבישים, מכשירים ביתיים חכמים וציוד רפואי נייד.כל מכשיר הוא למעשה מחשב מיוחד שנבנה על מורשת של חדשנות חומרה מוקדמת.
• (FLT:0) בקרת התעשייה: FLT:1 בקרים לוגיים הניתנים לתוכנת (PLCs) ומערכות בקרה מבוזרות (DCS) משלבות מודולריות וסטנדרטיזציה של חומרה ממוחשבת לניהול מפעלים, תחנות כוח ועיבוד כימי.

חיבור העבר והעתיד

בעוד הנדסה נעה לעבר טכנולוגיות חדשות כגון מחשוב קוונטי, שבבי נוירומורפי, ומעבדים פוטוניים, השיעורים של חומרה מחשב מוקדמת נשארים חלים.אותן אתגרים - אמינות, קנה מידה, ניהול חשמל, ומיומנות - מתועדים בהקשרים חדשים.הבנת ההיסטוריה של פיתוח חומרה מעניקה למהנדסים הערכה עמוקה יותר עבור העסקאות הטבועות במערכת וקבועות של עקרונות יסוד.

(ב) ל[[המאה ה-20]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[[[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[[[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[[[1924]]]], [[[[1924]]]]]]]], [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[1924]]]]

מסקנה

התפתחות חומרת מחשב מוקדמת לא הייתה רק הישג טכני; היה זה בלתי אפשרי כי זייף את החשיבה ההנדסית המודרנית.מגבלות של צינורות ואקום, פריצת הדרך של טרנזיסטורים, שילוב של מעגלים, וכוח קומפקטי של מיקרו-מעבדים כל אחד לימד מהנדסים בעלי ערך על עיצוב תחת פיקוח.עקרונות וכתוצאה מכך - סטנדרטיזציה, צמצום, אמינות, יעילות אנרגיה, יעילות ועיצוב עבור כל מנגנונים מוקדמים של מערכות הנדסיות, כמו גם על פני השטח שלנו, כמו גם על פני השטח, כמו גם על ידי הנדסה, כמו גם על ידי פיתוח, כמו גם על ידי שיטות הנדסית, כמו גם על פני השטח, כמו גם על ידי שיטות התפתחות, כמו גם על ידי שיטות הנדסיות, כמו גם על ידי שיטות תכנון, כמו גם על ידי שיטות הנדסיות, כמו גם על ידי פיתוח, כמו גם על ידי פיתוח, כמו גם על ידי שיטות הנדסיות, כמו גם על ידי שיטות תכנון, כמו גם על ידי הנדסה, כמו גם על ידי שיטות הנדסיות, כמו גם על ידי פיתוח, כמו גם על ידי שיטות הנדסיות, כמו גם על ידי שיטות הנדסיות, כמו גם על ידי שיטות.