Đề tài Ứng dụng các nguyên tắc sáng tạo trong quá trình hình thành và phát triển máy tính

in chân thành cảm ơn GS.TSKH Hoàng Kiếm, người đã tận tâm truyền đạt những kiến thức nền tảng cho chúng em trong môn học “Phương nghiên cứu khoa học trong tin học”. Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô của trường ĐH CNTT cùng các bạn trong lớp đã đóng góp những ý kiến bổ ích, tạo điều kiện để em hoàn thành bài tiểu luận. MỤC LỤC I. CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO KHOA HỌC CƠ BẢN ................................ 1 1. Nguyên tắc phân nhỏ............................................................................................. 1 2. Nguyên tắc tách khỏi đối tượng ............................................................................ 1 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ ............................................................................... 1 4. Nguyên tắc phản (bất) đối xứng ............................................................................ 1 5. Nguyên tắc kết hợp................................................................................................ 2 6. Nguyên tắc vạn năng ............................................................................................. 3 7. Nguyên tắc “chứa trong” ....................................................................................... 3 8. Nguyên tắc phản trọng lượng ................................................................................ 3 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ.............................................................................. 4 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ................................................................................ 4 11. Nguyên tắc dự phòng. ........................................................................................ 4 12. Nguyên tắc đẳng thế........................................................................................... 4 13. Nguyên tắc đảo ngược ....................................................................................... 5 14. Nguyên tắc cầu (tròn) hoá.................................................................................. 5 15. Nguyên tắc linh động ......................................................................................... 5 16. Nguyên tắc giải (tác động) “thiếu” hoặc “thừa” ................................................ 5 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác .................................................................. 6 18. Sử dụng các dao động cơ học ............................................................................ 6 19. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ....................................................................... 6 20. Nguyên tắc liên tục tác động có ích ................................................................... 7 21. Nguyên tắc “vượt nhanh” .................................................................................. 7 22. Nguyên tắc biến hại thành lợi ............................................................................ 7 23. Nguyên tắc quan hệ phản hồi............................................................................. 7 24. Nguyên tắc sử dụng trung gian .......................................................................... 8 25. Nguyên tắc tự phục vụ ....................................................................................... 9 26. Nguyên tắc sao chép (copy) ............................................................................. 10 27. Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt” ....................................................................... 11 28. Thay thế sơ đồ (kết cấu) cơ học ....................................................................... 11 29. Sử dụng các kết cấu khí và lỏng ...................................................................... 11 30. Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng........................................................................ 11 31. Sử dụng các vật liệu nhiều lỗ ........................................................................... 12 32. Nguyên tắc thay đổi màu sắc ........................................................................... 12 33. Nguyên tắc đồng nhất ...................................................................................... 12 34. Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần ................................................... 13 35. Thay đổi các thông số hoá lý của đối tượng .................................................... 13 36. Sử dụng chuyển pha......................................................................................... 14 37. Sử dụng sự nở nhiệt ......................................................................................... 14 38. Sử dụng các chất ôxy hoá mạnh ...................................................................... 14 39. Thay đổi độ trơ................................................................................................. 14 40. Sử dụng các vật liệu hợp thành (composite).................................................... 14 II. ỨNG DỤNG CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO KHOA HỌC TRONG TIN HỌC – MÁY TÍNH VÀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MÁY TÍNH............................ 15 1. Sơ lược về máy tính............................................................................................. 15 2. Các giai đoạn phát triển của máy tính ................................................................. 15 2.1. Thế hệ thứ nhất – Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1946 - 1955) ..... 16 2.2. Thế hệ thứ 2 – Máy tính dùng bóng bán dẫn transistor (1956 – 1965).......... 19 2.3. Thế hệ thứ 3 – Máy tính dùng vi mạch tích hợp SSI, MSI và LSI (1966-1980) 20 2.4. Thế hệ thứ 4 – Máy tính dùng vi mạch VLSI (1981 – nay)........................... 23 3. Xu hướng phát triển trong tương lai.................................................................... 26 4. Sự vận dụng các nguyên tắc sáng tạo khoa học trong các giai đoạn phát triển của máy tính...................................................................................................................... 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 34 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 – PadFone năm 2012. ....................................................................................... 2 Hình 1.2 – Samsung Galaxy Beam.................................................................................. 3 Hình 1.3 – Giao diện Profile mạng xã hội facebook năm 2007. ..................................... 9 Hình 1.4 – Một cảnh trong bộ phim 2012. .................................................................... 10 Hình 1.5 – Công nghệ nhận dạng giọng nói Siri trong iPhone 4S. ............................... 13 Hình 2.1 – Các giai đoạn phát triển máy tính................................................................ 15 Hình 2.2 – Máy tính ENIAC - 1946 .............................................................................. 16 Hình 2.3 – Máy Von Neumann thế hệ đầu tiên............................................................. 18 Hình 2.4 – Máy IBM 1401 ............................................................................................ 20 Hình 2.5 – IBM System/360 – Năm 1964..................................................................... 22 Hình 2.6 – Máy Apple 1 năm 1976. .............................................................................. 22 Hình 2.7 – Một mạch tích hợp VLSI............................................................................. 23 Hình 2.8 – Máy tính cá nhân của IBM năm 1981. ........................................................ 24 Hình 2.9 – HP 150 năm 1983. ....................................................................................... 24 Hình 2.10 – Máy tính Deep Blue năm 1997.................................................................. 25 Hình 2.11 – iPhone 2007 của Apple.............................................................................. 25 Hình 2.12 – iPad 2010 của Apple.................................................................................. 26 Hình 2.13 – Máy PDI-1 năm 1960 ................................................................................ 31 Hình 2.14 – IC vi điều khiển 8-bit 8742 của Intel......................................................... 31 Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 1 I. CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO KHOA HỌC CƠ BẢN 1. Nguyên tắc phân nhỏ Nội dung - Chia đối tượng thành các phần độc lập. - Làm đối tượng trở nên tháo lắp được. - Tăng mức độ phân nhỏ của đối tượng. Ví dụ Trong quá trình truyền nhận file giữa các máy tính trên mạng internet, file được phân nhỏ thành các gói (packages) để gửi đi. Tương tự, khi upload một file có dung lượng lớn lên internet, file cũng được phân nhỏ, upload từng phần để tiện trong upload và download. 2. Nguyên tắc tách khỏi đối tượng Nội dung Tách phần gây “phiền phức” (tính chất “phiền phức”) hay ngược lại, tách phần duy nhất “cần thiết” (tính chất “cần thiết”) ra khỏi đối tượng. 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ Nội dung - Chuyển đối tượng (hay môi trường bên ngoài, tác động bên ngoài) có cấu trúc đồng nhất thành không đồng nhất. - Các phần khác nhau của đối tượng phải có các chức năng khác nhau. - Mỗi phần của đối tượng phải ở trong những điều kiện thích hợp nhất của công việc. 4. Nguyên tắc phản (bất) đối xứng Nội dung - Chuyển đối tượng có hình dạng đối xứng thành không đối xứng (nói chung làm giảm bậc đối xứng). - Nếu đối tượng phản đối xứng, tăng mức độ phản đối xứng (giảm bậc đối xứng). Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 2 5. Nguyên tắc kết hợp Nội dung - Kết hợp các đối tượng đồng nhất hoặc các đối tượng dùng cho các hoạt động kế cận. - Kết hợp về mặt thời gian các hoạt động đồng nhất hoặc kế cận. Ví dụ - Apple store, kho ứng dụng tập hợp các ứng dụng cho các dòng sản phẩm của Apple như iPhone, iPad. - PadFone - Máy tính bảng “ba trong một”: Asus PadFone vừa có màn ra mắt chính thức tại MWC 2012 và nổi bật bởi thiết kế độc đáo “phá vỡ mọi quy luật” của mình. Về cơ bản, PadFone là một chiếc máy tính bảng “lai” điện thoại nhưng 2 thiết bị chính của máy có thể hoạt động độc lập. Khi được kết hợp với nhau, chiếc điện thoại 4,3 inch sẽ đóng vai trò là trung tâm xử lý cho chiếc máy tính bảng 10,1 inch. Smartphone sẽ bổ sung kết nối 3G, camera chụp ảnh 8 megapixel cho tablet, ngược lại tablet sẽ có nhiệm vụ sạc pin cho smartphone. Ngoài ra, Asus sẽ bán kèm bàn phím PadFone Station Dock cho những ai muốn biến PadFone thành một chiếc máy tính xách tay đích thực. Hình 1.1 – PadFone năm 2012. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 3 6. Nguyên tắc vạn năng Nội dung Đối tượng thực hiện một số chức năng khác nhau, do đó không cần sự tham gia của đối tượng khác. Ví dụ Samsung Galaxy Beam - Smartphone được tích hợp máy chiếu dạng LED, cho phép chiếu nội dung lên màn chiếu rộng đến 50 inch. Máy chiếu này sẽ trình diễn tất cả các nội dung đang hiển thị trên màn hình smartphone, với độ sáng và chất lượng ấn tượng. Hình 1.2 – Samsung Galaxy Beam 7. Nguyên tắc “chứa trong” Nội dung - Một đối tượng được đặt bên trong đối tượng khác và đối tượng khác đó lại chứa đối tượng thứ ba ... - Một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong đối tượng khác. 8. Nguyên tắc phản trọng lượng Nội dung - Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng cách gắn nó với các đối tượng khác, có lực nâng. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 4 - Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng tương tác với môi trường như sử dụng các lực thủy động, khí động. 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ Nội dung - Gây ứng suất trước với đối tượng để chống lại ứng suất không cho phép hoặc không mong muốn khi đối tượng làm việc (hoặc gây ứng suất trước để khi làm việc sẽ dùng ứng suất ngược lại). - Nếu theo điều kiện bài toán cần thực hiện tác động nào đó, cần thực hiện phản tác động trước. 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ Nội dung - Thực hiện trước sự thay đổi cần có, hoàn toàn hoặc từng phần, đối với đối tượng. - Cần sắp xếp đối tượng trước, sao cho chúng có thể hoạt động từ vị trí thuận lợi nhất, không mất thời gian dịch chuyển. 11. Nguyên tắc dự phòng. Nội dung Bù đắp độ tin cậy không lớn của đối tượng bằng cách chuẩn bị trước các phương tiện báo động, ứng cứu, an toàn. Ví dụ Chức năng đồng hồ báo thức trong các loại điện thoại thường có chế độ lặp đi lặp lại để dự phòng trường hợp người sử dụng ngủ quên. 12. Nguyên tắc đẳng thế Nội dung Thay đổi điều kiện làm việc để không phải nâng lên hay hạ xuống các đối tượng Giải thích Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 5 Quỹ tích của những điểm có cùng một thế năng, gọi là mặt đẳng thế. Trong vật lý người ta đã chứng minh được rằng, một vật chuyển động trên mặt đẳng thế thì không sinh công. 13. Nguyên tắc đảo ngược Nội dung - Thay vì hành động như yêu cầu bài toán, hãy hành động ngược lại (ví dụ: không làm nóng mà làm lạnh đối tượng). - Làm phần chuyển động của đối tượng (hay môi trường bên ngoài) thành đứng yên và ngược lại, phần đứng yên thành chuyển động. - Lật ngược đối tượng (chân thành đầu, đầu thành chân), lộn trái đối tượng (trong thành ngoài, ngoài thành trong). 14. Nguyên tắc cầu (tròn) hoá Nội dung - Chuyển những phần thẳng của đối tượng thành cong, mặt phẳng thành mặt cầu, kết cấu hình hộp thành kết cấu hình cầu. - Sử dụng các con lăn, viên bi, vòng xoắn. - Chuyển sang chuyển động quay, sử dụng lực ly tâm. 15. Nguyên tắc linh động Nội dung - Cần thay đổi các đặt trưng của đối tượng hay môi trường bên ngoài sao cho chúng tối ưu trong từng giai đoạn làm việc. - Phân chia đối tượng thành từng phần, có khả năng dịch chuyển đối với nhau. - Nếu đối tượng nhìn chung bất động, làm nó di động được. 16. Nguyên tắc giải (tác động) “thiếu” hoặc “thừa” Nội dung Nếu khó nhận được 100% hiệu quả cần thiết, nên nhận ít hơn hoặc nhiều hơn “một chút”. Lúc đó bài toán có thể trở nên đơn giản hơn và dễ giải hơn một cách đáng kể. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 6 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác Nội dung - Những khó khăn do chuyển động (hay sắp xếp) đối tượng theo đường (một chiều) sẽ được khắc phục nếu cho đối tượng khả năng di chuyển trên mặt phẳng (hai chiều). Tương tự, những bài toán liên quan đến chuyển động (hay sắp xếp) các đối tượng trên mặt phẳng sẽ được đơn giản hoá khi chuyển sang không gian (ba chiều). - Chuyển các đối tượng có kết cấu một tầng thành nhiều tầng. - Đặt đối tượng nằm nghiêng. - Sử dụng mặt sau của diện tích cho trước. - Sử dụng các luồng ánh sáng tới diện tích bên cạnh hoặc tới mặt sau của diện tích cho trước. Ví dụ Ở các dòng điện thoại, máy tính bảng cảm ứng, màn hình có thể xoay cả 4 hướng, tùy vào mục đích, ý muốn của người sử dụng. 18. Sử dụng các dao động cơ học Nội dung - Làm đối tượng dao động. Nếu đã có dao động, tăng tầng số dao động ( đến tầng số siêu âm). - Sử dụng tầng số cộng hưởng. - Thay vì dùng các bộ rung cơ học, dùng các bộ rung áp điện. - Sử dụng siêu âm kết hợp với trường điện từ. 19. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ Nội dung - Chuyển tác động liên tục thành tác động theo chu kỳ (xung) - Nếu đã có tác động theo chu kỳ, hãy thay đổi chu kỳ. - Sử dụng khoảng thời gian giữa các xung để thực hiện tác động khác. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 7 Ví dụ Trong lập trình, lập trình viên thường sử dụng bộ định thời (timer) để thực hiện các thao tác lập đi lập lại theo chu kỳ. 20. Nguyên tắc liên tục tác động có ích Nội dung - Thực hiện công việc một cách liên tục (tất cả các phần của đối tượng cần luôn luôn làm việc ở chế độ đủ tải). - Khắc phục vận hành không tải và trung gian. - Chuyển chuyển động tịnh tiến qua lại thành chuyển động quay. 21. Nguyên tắc “vượt nhanh” Nội dung - Vượt qua các giai đoạn có hại hoặc nguy hiểm với vận tốc lớn. - Vượt nhanh để có được hiệu ứng cần thiết. 22. Nguyên tắc biến hại thành lợi Nội dung - Sử dụng những tác nhân có hại (Ví dụ: tác động có hại của môi trường) để thu được hiệu ứng có lợi. - Khắc phục tác nhân có hại bằng cách kết hợp nó với tác nhân có hại khác. - Thay đổi tác nhân có hại đến mức nó không còn có hại nữa. 23. Nguyên tắc quan hệ phản hồi Nội dung - Thiết lập quan hệ phản hồi - Nếu đã có quan hệ phản hồi, hãy thay đổi (hoàn thiện) nó. Ví dụ - Trong kỹ thuật dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến ra đa, người ta truyền đi một chùm xung vô tuyến có cường độ lớn và thu sóng phản xạ lại bằng máy thu. Bằng cách phân tích sóng phản xạ, vật phản xạ được định vị, và đôi khi được xác định hình dạng. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 8 - Động cơ turbin phản lực thường được dùng làm động cơ đẩy cho máy bay. Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút khí và được nén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt. Ở đây không khí trộn với nhiên liệu và được đốt cháy. Quá trình cháy này khiến nhiệt độ khí tăng lên rất nhiều. Các sản phẩm cháy nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng đốt và chạy qua turbin để làm quay máy nén. Luồng khí bên trong turbin thoát ra ngoài thông qua ống thoát khí, tạo ra một lực đẩy phản lực ngược chiều. Nếu tốc độ phản lực vượt quá tốc độ bay, máy bay sẽ có được lực đẩy tiến về phía trước. 24. Nguyên tắc sử dụng trung gian Nội dung - Sử dụng đối tượng trung gian, chuyển tiếp để mang, truyền tác động - Tạm thời gắn đối tượng cho trước với đối tượng khác, dễ tách rời sau đó. Ví dụ - Ở một số dòng điện thoại, dây kết nối với máy tính và dây sạc pin là một. Khi sạc pin, người ta dùng thêm một bộ phận sạc, một đầu kết nối với dây sạc, một đầu được cắm vào nguồn điện. - Cùng với sự phát triển của đời sống, nhu cầu kết bạn, giao lưu của con người ngày càng cao. Do đó, mạng xã hội ra đời. Mạng xã hội (Facebook, Twitter…) là dịch vụ nối kết các thành viên cùng sở thích trên Internet lại với nhau với nhiều mục đích khác nhau không phân biệt không gian và thời gian. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 9 Hình 1.3 – Giao diện Profile mạng xã hội facebook năm 2007. 25. Nguyên tắc tự phục vụ Nội dung - Đối tượng phải tự phục vụ bằng cách thực hiện các thao tác phụ trợ, sửa chữa. - Sử dụng phế liệu, chát thải, năng lượng dư. Ví dụ Để tiết kiệm điện năng, điện thoại tự động tắt đèn màn hình sau một khoảng thời gian không sử dụng. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 10 26. Nguyên tắc sao chép (copy) Nội dung - Thay vì sử dụng những cái không được phép, phức tạp, đắt tiền, không tiện lợi hoặc dễ vỡ, sử dụng bản sao. - Thay thế đối tượng hoặc hệ các đối tượng bằng bản sao quang học (ảnh, hình vẽ) với các tỷ lệ cần thiết. - Nếu không thể sử dụng bản sao quang học ở vùng biểu kiến (vùng ánh sáng nhìn thấy được bằng mắt thường), chuyển sang sử dụng các bản sao hồng ngoại hoặc tử ngoại. Ví dụ Trong các bộ phim đòi hỏi những cảnh quay hoành tráng về chiến tranh, thảm họa thiên nhiên… việc có được một cảnh quay thực tế là hầu như không thể. Do đó, người ta sử dụng công nghệ để dựng nên những cảnh quay này. Một trong những ví dụ điển hình là bộ phim 2012. 2012 đã làm được những điều mà các bộ phim về thảm họa trước đây chưa thể làm được, từ cảnh Tòa thánh Vatican bị đổ nhào, Nhà Trắng bị phá hủy hay cảnh nước biển quét sạch dãy Himalaya. Hình 1.4 – Một cảnh trong bộ phim 2012. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 11 27. Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt” Nội dung Thay thế đối tượng đắt tiền bằng bộ các đối tượng rẻ có chất lượng kém hơn (Ví dụ: như về tuổi thọ). 28. Thay thế sơ đồ (kết cấu) cơ học Nội dung - Thay thế sơ đồ cơ học bằng điện, quang, nhiệt, âm hoặc mùi vị. - Sử dụng điện trường, từ trường và điện từ trường trong tương tác với đối tượng. - Chuyển các trường đứng yên sang chuyển động, các trường cố định sang thay đổi theo thời gian, các trường đồng nhất sang có cấu trúc nhất định. - Sử dụng các trường kết hợp với các hạt sắt từ. 29. Sử dụng các kết cấu khí và lỏng Nội dung Thay cho các phần của đối tượng ở thể rắn, sử dụng các chất khí và lỏng: nạp khí, nạp chất lỏng, đệm không khí, thủy tĩnh, thủy phản lực. 30. Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng Nội dung - Sử dụng các vỏ dẻo và màng mỏng thay cho các kết cấu khối. - Cách ly đối tượng với môi trường bên ngoài bằng các vỏ dẻo và màng mỏng. Ví dụ Công nghệ silicon đã, đang và sẽ tiếp tục mang lại những đột phá mới về hiệu suất hoạt động trong một kỷ nguyên điện toán có hiệu quả tiết kiệm điện năng cao. Intel là công ty đầu tiên triển khai công nghệ sản xuất silicon 65nanomet (nm) tiên tiến trong năm 2005, tích hợp các tính năng tiết kiệm điện năng tiêu thụ trong một chu trình vốn là yếu tố thiết yếu để mang lại hiệu quả tiết kiệm điện năng tại cấp độ bóng bán dẫn. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 12 31. Sử dụng các vật liệu nhiều lỗ Nội dung - Làm đối tượng có nhiều lỗ hoặc sử dụng thêm những chi tiết có nhiều lỗ (miếng đệm, tấm phủ). - Nếu đối tượng đã có nhiều lỗ, sơ bộ tẩm nó bằng chất nào đó. Ví dụ In lụa là một dạng trong kỹ thuật in ấn. In lụa là tên thông dụng do giới thợ đặt ra xuất phát từ lúc bản lưới của khuôn in làm bằng tơ lụa. Sau đó, khi mà bản lưới lụa có thể thay thế bởi các vật liệu khác như vải bông, vải sợi hóa học, lưới kim loại để làm thì tên gọi được mở rộng như là in lưới. 32. Nguyên tắc thay đổi màu sắc Nội dung - Thay đổi màu sắc của đối tượng hay môi trường bên ngoài - Thay đổi độ trong suốt của của đối tượng hay môi trường bên ngoài. - Để có thể quan sát được những đối tượng hoặc những quá trình, sử dụng các chất phụ gia màu, hùynh quang. - Nếu các chất phụ gia đó đã được sử dụng, hãy dùng các nguyên tử đánh dấu. - Sử dụng các hình vẽ, ký hiệu thích hợp. Ví dụ - Ở các hình định dạng png, những phần nền không cần thiết nhìn thấy được làm cho trong suốt. - Khi định dạng một văn bản, phần tiêu đề, những mục quan trọng thường được in đậm, in nghiêng đối với những phần chú thích. 33. Nguyên tắc đồng nhất Nội dung Những đối tượng, tương tác với đối tượng cho trước, phải được làm từ cùng một vật liệu (hoặc từ vật liệu gần về các tính chất) với vật liệu chế tạo đối tượng cho trước. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 13 Ví dụ - Công nghệ nhận dạng giọng nói không phải là thứ gì đó quá mới mẻ, nhưng khi công nghệ nhận dạng giọng nói Siri được tích hợp trong một thiết bị như iPhone 4S lập tức thu hút sự quan tâm đặc biệt của người dùng. Hình 1.5 – Công nghệ nhận dạng giọng nói Siri trong iPhone 4S. 34. Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần Nội dung - Phần đối tượng đã hoàn thành nhiệm vụ hoặc trở nên không cần thiết phải tự phân hủy (hoà tan, bay hơi ..) hoặc phải biến dạng. - Các phần mất mát của đối tượng phải được phục hồi trực tiếp trong quá trình làm việc. 35. Thay đổi các thông số hoá lý của đối tượng Nội dung - Thay đổi trạng thái đối tượng. - Thay đổi nồng độ hay độ đậm đặc. - Thay đổi độ dẻo - Thay đổi nhiệt độ, thể tích. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 14 36. Sử dụng chuyển pha Nội dung Sử dụng các hiện tượng nảy sinh trong quá trình chuyển pha như: thay đổi thể tích, toả hay hấp thu nhiệt lượng. 37. Sử dụng sự nở nhiệt Nội dung - Sử dụng sự nở (hay co) nhiệt của các vật liệu. - Nếu đã dùng sự nở nhiệt, sử dụng với vật liệu có các hệ số nở nhiệt khác nhau. 38. Sử dụng các chất ôxy hoá mạnh Nội dung - Thay không khí thường bằng không khí giàu ôxy. - Thay không khí giàu ôxy bằng chính ôxy. - Dùng các bức xạ ion hoá tác động lên không khí hoặc ôxy. - Sử dụng ôxy bị ôzôn hóa. - Thay ôxy giàu ôzôn (hoặc ôxy bị ion hoá) bằng chính ôzôn. 39. Thay đổi độ trơ Nội dung - Thay môi trường thông thường bằng môi trường trung hoà. - Đưa thêm vào đối tượng các phần, các chất, phụ gia trung hoà. - Thực hiện quá trình trong chân không. 40. Sử dụng các vật liệu hợp thành (composite) Nội dung Chuyển từ các vật liệu đồng nhất sang sử dụng những vật liệu hợp thành (composite). Hay nói chung, sử dụng các vật liệu có tính hệ thống mới. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 15 II. ỨNG DỤNG CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO KHOA HỌC TRONG TIN HỌC – MÁY TÍNH VÀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MÁY TÍNH 1. Sơ lược về máy tính Máy tính, hay còn gọi là máy vi tính, là những thiết bị hay hệ thống dùng để tính toán hay kiểm soát các hoạt động mà có thể biểu diễn dưới dạng số hay quy luật logic. Máy tính được lắp ghép bởi các thành phần có thể thực hiện các chức năng đơn giản đã định nghĩa trước. Quá trình tác động tương hỗ phức tạp của các thành phần này tạo cho máy tính một khả năng xử lý thông tin. Nếu được thiết lập chính xác (thông thường bởi các chương trình máy tính) máy tính có thể mô phỏng lại một số khía cạnh của một vấn đề hay của một hệ thống. Trong trường hợp này, khi được cung cấp một bộ dữ liệu thích hợp nó có thể tự động giải quyết vấn đề hay dự đoán trước sự thay đổi của hệ thống. 2. Các giai đoạn phát triển của máy tính Có nhiều cách phân loại các giai đoạn phát triển củamáy tính. Một cách phân loại ít mơ hồ là theo sự hoàn thiện của công nghệ. Theo đó, lịch sử phát triển của máy tính có thể chia thành các giai đoạn: - Máy tính cơ khí - Máy tính dùng đèn điện tử chân không - Máy tính dùng transistor - Máy tính dùng vi mạch tích hợp SSI, MSI, LSI - Máy tính dùng vi mạch VLSI Hình 2.1 – Các giai đoạn phát triển máy tính. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 16 Những chiếc máy tính có mặt sớm nhất thuần túy là máy cơ khí. Đây là giai đoạn sơ khai của quá trình hình thành máy vi tính. Trong thập niên 1930, các thành phần relay cơ – điện đã được giới thiệu vào máy tính từ ngành công nghiệp liên lạc viễn thông. Từ đó đến nay, lịch sử phát triển máy tính trải qua 4 thế hệ. 2.1. Thế hệ thứ nhất – Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1946 - 1955) Trong thập niên 1940, những chiếc máy tính thuần túy điện tử đã được chế tạo từ những bóng điện tử. Năm 1946, J. Presper Eckert và John Mauchly cho ra mắt hệ thống điện toán ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) với khả năng xử lý 5.000 phép tính một giây, nhanh hơn bất cứ thiết bị nào trước đó. Được xem là thế hệ đầu tiên của máy tính điện tử, ENIAC ban đầu được xây dựng để phục vụ cho cuộc chiến tranh thế giới thứ 2, nhưng hoàn thành muộn hơn 1 năm sau khi cuộc chiến đã kết thúc. Hình 2.2 – Máy tính ENIAC - 1946 Chỉ vài năm sau, hệ thống này xuất hiện tại các trường đại học, văn phòng chính phủ, ngân hàng và công ty bảo hiểm. ENIAC hoạt động dựa trên hệ thập phân 10 số. ENIAC đã góp phần giải quyết các vấn đề điện toán liên quan đến quá trình phát triển bom khinh khí (bom hydro) và nhiều dự án quân sự khác. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 17 Trung tâm của ENIAC là một thiết bị có tên là bộ đếm vòng, bao gồm 10 bóng chân không trong một vòng tròn. Mười bộ đếm vòng được đặt trong mỗi thanh ghi, và có thể lưu trữ các số lên tới 10 tỷ trừ 1 (9,999,999,999) hoặc xuống tới âm 10 tỷ trừ 1. Khi một thanh ghi đạt mức tối đa của nó, một xung sẽ được gửi qua dây dẫn tới một vòng tiếp theo, tiếp tục quá trình. ENIAC chứa tổng cộng 20 thanh ghi trải khắp 40 máng được nối mạng với nhau qua một bảng phích cắm. Dữ liệu được lưu theo các xung trong các ống thủy ngân 5 chân. ENIAC được coi là một thiết bị Turing đầy đủ. Tuy nhiên, một chương trình trên ENIAC được định nghĩa bởi những trạng thái của cáp nối tạm và chuyển mạch, một khoảng cách xa so với những máy điện tử chương trình lưu trữ sử dụng kỹ thuật này. Lập trình nó có nghĩa là lắp lại dây cho nó. Sự phát triển hoàn tất vào năm 1948 đã giúp cho nó có thể xử lý các tập chương trình lưu trữ trong bảng bộ nhớ chức năng, khiến cho việc lập trình bớt khó khăn hơn. Nó có thể được nối dây thực hiện nhiều bộ cộng tích lũy cùng lúc để thực hiện những phép tính song song. Máy von Neumann thế hệ đầu tiên: Để một máy tính toán trở thành máy tính đa năng, phải có một cơ chế đọc – ghi thuận tiện. Dựa trên những kiến thức mang tính lý thuyết về “máy tính phổ quát” của Alan Turing, John von Neumann đã định nghĩa một kiến trúc sử dụng cùng một bộ nhớ cho việc lưu trữ chương trình lẫn dữ liệu, mà hầu như tất cả các máy tính ngày nay đều sử dụng kiến trúc này (hoặc một biến thể nào đó của nó). John von Neumann đã được ghi danh trong bản báo cáo được biết đến rộng rãi mô tả mẫu thiết kế EDVAC trong đó cả chương trình và dữ liệu tính toán đều được lưu trữ trong một bộ lưu trữ duy nhất. Thiết kế cơ bản này, được biểu thị trong kiến trúc von Neumann, sẽ đóng vai trò làm nền tảng cho sự phát triển các thế hệ tiếp sau của ENIAC trên toàn cầu. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 18 Hình 2.3 – Máy Von Neumann thế hệ đầu tiên. Trong thế hệ thiết bị này, bộ nhớ tạm hoặc vùng nhớ 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 hoặc qua một sợi dây để lưu dữ liệu ngắn. Những chuỗi xung âm thanh được gửi qua một cái ống. Khi xung đi đến cuối ống, mạch điện sẽ kiểm tra xem xung đó đại diện cho 1 hay 0 và làm cho máy tạo dao dộng gửi lại xung. Những máy khác sử dụng các ống Williams, trong đó tận dụng khả năng của ống phát hình ti vi để lưu trữ và truy xuất dữ liệu. Đến trước năm 1954, bộ nhớ lõi từ nhanh chóng thay thế phần lớn các dạng lưu trữ tạm thời khác, và thống trị trong lĩnh vực này cho đến giữa thập niên 1970. Chiếc máy von Neumann hoạt động được đầu tiên là Manchester “Baby” hay Máy thí nghiệm thu nhỏ (Small – Scale Experimental Machine), được Frederic C. Williams và Tom Kilburn phát triển tại Đại học Manchester vào năm 1948. Một năm sau đó, chiếc máy tính Manchester Mark I ra đời. Đây là một hệ thống hoàn chỉnh, sử dụng ống Williams và bộ nhớ trống từ (magnetic drum), và cũng ra mắt thanh ghi chỉ mục (index register). Đối thủ khác cho danh hiệu “chiếc máy tính lưu trữ chương trình bằng kỹ thuật số đầu tiên” là EDSAC, được thiết kế và chế tạo tại Đại học Cambridge. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 19 Được đưa vào hoạt động chưa đầy một năm sau Manchester “Baby”, EDSAC cũng có thể giải quyết được những bài toán thật sự. EDSAC lấy cảm hứng từ những kế hoạch của EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer – Máy tính tự động biến rời rạc điện tử), chiếc máy nối tiếp của ENIAC. Tuy nhiên, không giống như ENIAC sử dụng xử lý song song, EDVAC sử dụng một một đơn vị xử lý đơn. Kiểu thiết kế này đơn giản hơn và là kiểu đầu tiên được hiện thực trong làn sóng mini hóa, và tăng độ tin cậy về sau này. 2.2. Thế hệ thứ 2 – Máy tính dùng bóng bán dẫn transistor (1956 – 1965) Vào nửa sau thập niên 1950 transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor – BJT) đã thay thế ống chân không, từ đó dẫn đến những chiếc máy tính thuộc thế hệ thứ hai. Transistor lưỡng cực được phát minh vào năm 1947. So với ống chân không, transistor mang lại nhiều lợi điểm. Thứ nhất, chi phí 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. Thứ hai, dung tích transistor được giảm xuống đáng kể, đo bằng milimét vuông so với centimét vuông của ống chân không. Bên cạnh đó, nhiệt độ vận hành thấp hơn của transistor đã làm tăng độ tin cậy của chúng so với ống chân không. Các máy tính được trang bị transistor có thể chứa mười ngàn mạch luận lý nhị phân trong một không gian rất nhỏ hẹp. Thông thường, các máy tính thế hệ thứ hai bao gồm rất nhiều mạch in như IBM Standard Modular System, mỗi mạch có chứa một đến bốn cổng luận lý hoặc flip-flop. Một máy tính thế hệ thứ hai, IBM 1401, đã giành được đến khoảng một phần ba thị phần thế giới. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 20 Hình 2.4 – Máy IBM 1401 Các thiết bị điện tử được transistor hóa không chỉ phát triển CPU, mà còn được sử dụng trong việc phát triển các thiết bị ngoại vi. Chiếc RAMAC IBM 350 được ra mắt vào năm 1956 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. Tiếp sau đơn vị lưu trữ bằng đĩa cố định được kết nối với CPU thông qua băng truyền dữ liệu tốc độ cao, là đơn vị lưu trữ dữ liệu dạng đĩa tháo lắp. Một chồng đĩa tháo lắp có thể thay bằng một chồng khác chỉ trong vài giây. 2.3. Thế hệ thứ 3 – Máy tính dùng vi mạch tích hợp SSI, MSI và LSI (1966-1980) Sự bùng nổ của máy tính và nhu cầu sử dụng máy tính bắt đầu từ các máy tính thế hệ thứ ba. Những chiếc máy tính này dựa trên các phát minh độc lập về mạch tích hợp (IC hay microchip) của Jack St. Clair Kilby và Robert Noyce, từ đó dẫn đến việc phát minh ra vi xử lý của Ted Hoff, Federico Faggin, và Stanley Mazor tại Intel. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 21 Việc phát minh ra mạch tích hợp giúp cho nhiều transitor và các phần tử khác được tích hợp trên một chip bán dẫn. Các mạch tích hợp được phát minh trong giai đoạn này là các mạch tích hợp cỡ nhỏ SSI (Small Scale Integration), mạch tích hợp cỡ trung bình MSI (Medium Scale Integration) và mạch tích hợp cỡ lớn LSI (Large Scale Integration). Trên mạch tích hợp cỡ nhỏ chỉ có thể chứa từ 1 đến 10 cổng logic (AND, OR, …). Mạch tích hợp cỡ trung bình ngoài việc tích hợp các cổng logic, các mạch còn được mở rộng tích hợp thêm các bộ đếm và các chức năng logic tương đương. Mạch tích hợp cỡ lớn được tích hợp nhiều chức năng logic hơn, có thể có cả bộ vi xử lý hoàn chỉnh trong một chip. Trong suốt thập niên 1960 có một khoảng cách đáng kể về công nghệ giữa thế hệ thứ hai và thứ ba. IBM đã hiện thực các mô đun công nghệ logic rắn IBM trong mạch lai dành cho hệ thống IBM/360 vào năm 1964. Đến cuối năm 1975, Sperry Univac vẫn tiếp tục sản xuất các máy thế hệ thứ hai như UNIVAC 494. Các hệ thống lớn Burroughs như B5000 là các máy xếp chồng cho phép lập trình đơn giản hơn. Những máy tự động ngăn xếp này cũng được hiện thực trong vi máy tính và vi xử lý về sau, những thứ đã ảnh hưởng đến thiết kế ngôn ngữ lập trình. Vi xử lý dẫn đến sự phát triển của vi máy tính. Đó là những máy tính nhỏ, giá thành thấp mà những cá nhân và doanh nghiệp nhỏ có thể sở hữu. Các vi máy tính xuất hiện lần đầu vào thập niên 1970, dần dần có mặt ở khắp mọi nơi vào thập niên 1980 về sau. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 22 Hình 2.5 – IBM System/360 – Năm 1964 Steve Wozniak, đồng sáng lập viên Apple Computer, là người được vinh danh trong quá trình phát triển chiếc máy tính gia đình dành cho thị trường đại chúng đầu tiên. Chiếc máy tính đầu tiên của ông, Apple I, lần đầu tiên được công bố tại Homebrew Computer Club và được bán vào năm 1976. Hình 2.6 – Máy Apple 1 năm 1976. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 23 2.4. Thế hệ thứ 4 – Máy tính dùng vi mạch VLSI (1981 – nay) Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp rất cao. Cũng với công nghệ vi mạch tích hợp IC nhưng VLSI (Very Large Scale Integration) được thiết kế nhỏ gọn hơn mà tốc độ tính toán lại cao hơn nhờ các công nghệ ép vi mạch tiên tiến. Với những công nghệ này, hàng triệu transitor có thể được tích hợp trên một chip bán dẫn. Hình 2.7 – Một mạch tích hợp VLSI. Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân. Cùng với đó là sự ra đời của vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset), giúp cho một hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép. Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được sử dụng rộng rãi. Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính không ngừng được phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao… Năm 1981, máy tính cá nhân của IBM ra đời. Được trang bị màn hình, bàn phím, máy in. Máy tính cá nhân của IBM đã thực sự giúp cho mọi người trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn trong việc sử dụng. IBM đã đặt dấu mốc cho sự phát triển của máy tính cá nhân hiện đại khi dành được rất nhiều thành công trong tiêu thụ sản phẩm. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 24 Hình 2.8 – Máy tính cá nhân của IBM năm 1981. Năm 1983, Hewlett – Packard (HP) 150 ra đời đánh dấu một bước chuyển mình to lớn của công nghệ và có vai trò ảnh hưởng đến cả ngày nay. HP 150 lần đầu giới thiệu đến thế giới máy tính với công nghệ màn hình cảm ứng (tourch screen). Màn hình với độ rộng 9 inch được bao quanh bởi tia hồng ngoài, giúp truyền và nhận tín hiệu để phát hiện vị trí ngón tay của người dùng. Hình 2.9 – HP 150 năm 1983. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 25 Năm 1997, dự án được bắt đầu tại IBM vào cuối những năm 1980 hoàn thành với sự ra đời của máy tính Deep Blue. Deep Blue là máy tính sử dụng cách thức xử lý song song để giải quyết các vấn đề khó. Deep Blue đã thực sự nổi tiếng và được thế giới biết đến sau khi đánh bại kỳ thủ số 1 thế giới, Garry Kasparov. Hình 2.10 – Máy tính Deep Blue năm 1997. Năm 2007, Apple cho ra đời iPhone. Không chỉ mang đến chức năng truy cập internet, gọi điện thoại, chụp ảnh hay chơi nhạc, iPhone còn hỗ trợ một số lượng lớn các phần mềm và các ứng dụng. Không thực sự là một máy tính, nhưng iPhone xứng đáng là một cột mốc đánh dấu sự phát triển của lịch sử máy tính. Hình 2.11 – iPhone 2007 của Apple. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 26 Sau thành công vang dội của iPhone, Apple tiếp tục cho ra mắt thế hệ máy tính bảng với tên gọi iPad năm 2010, với bề dày chỉ khoảng 1.2 inch, trọng lượng 1.5 pounds (khoảng 0.68 kg) và màn hình 9.7 inch. Thiết bị có thời lượng pin chờ lên đến 10 giờ và người dùng cũng có thể sử dụng các phần mềm, ứng dụng được phát triển từ phía thứ 3, chơi game, xem video và truy cập internet (tương tự như iPhone). Hình 2.12 – iPad 2010 của Apple. 3. Xu hướng phát triển trong tương lai Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ năm còn chưa rõ ràng. Người Nhật đã và đang đi tiên phong trong các chương trình nghiên cứu để cho ra đời thế hệ thứ 5 của máy tính, thế hệ của những máy tính thông minh, dựa trên các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG... và những giao diện người – máy thông minh. Những nghiên cứu đã bước đầu mang lại những thành công, tạo ra những sản phẩm mới. Gần đây nhất là sự ra mắt sản phẩm người máy thông minh gần giống với con người nhất: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility – Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động) năm 2004. Với hàng trăm nghìn thiết bị điện tử tối tân đặt trong cơ thể, ASIMO có thể lên xuống cầu thang một cách uyển chuyển, nhận diện người, các cử chỉ hành động, giọng nói và đáp ứng một số mệnh lệnh của con người. Thậm chí, nó có thể bắt chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin ngay sau khi được hỏi, rất gần gũi và thân thiện. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 27 Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện các mạch vi xử lý ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit với việc xuất hiện các bộ xử lý RISC (Reduced Instructions Set Computer) năm 1986 và các bộ xử lý siêu vô hướng năm 1990). Chính các bộ xử lý này giúp thực hiện các máy tính song song với 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 của 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. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 28 - 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”. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 29 - 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. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 30 - 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: 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. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 31 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. Hình 2.14 – IC vi điều khiển 8-bit 8742 của Intel Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 32 - 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. - Nguyên tắc phẩm chất cục bộ: Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 33 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. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 34 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] ịch_sử_phần_cứng_máy_tính [6] áy_tính_cá_nhân