Inżynieria komputerowa

Inżynieria komputerowa
Zawód
Nazwy	Informatyk
Rodzaj zawodu	Inżynieria
Sektory działalności	Technologia informacyjna, przemysł technologiczny, przemysł inżynieryjny
Specjalność	Inżynieria sprzętu, inżynieria oprogramowania, programowanie oprogramowania, robotyka, sieci
Opis
Kompetencje	Wiedza techniczna, projektowanie sprzętu, projektowanie oprogramowania
; Dziedziny zatrudnienia	Nauka, technologia, inżynieria, przemysł, komputer, eksploracja

Inżynieria komputerowa ( CoE lub CpE ) jest gałęzią elektrotechniki i informatyki , która integruje kilka dziedzin informatyki i inżynierii elektronicznej wymaganych do tworzenia sprzętu komputerowego i oprogramowania . Inżynierowie komputerowi wymagają nie tylko szkolenia z inżynierii elektronicznej , projektowania oprogramowania i integracji sprzętu z oprogramowaniem, ale także z inżynierii oprogramowania . Wykorzystuje techniki i zasady elektrotechniki i informatyki, ale obejmuje również takie obszary, jak sztuczna inteligencja (AI), robotyka, sieci komputerowe, architektura komputerów i systemy operacyjne. Inżynierowie informatyczni są zaangażowani w wiele aspektów związanych ze sprzętem i oprogramowaniem komputerowym , od projektowania pojedynczych mikrokontrolerów , mikroprocesorów , komputerów osobistych i superkomputerów , po projektowanie obwodów . Ta dziedzina inżynierii koncentruje się nie tylko na tym, jak działają same systemy komputerowe, ale także wymaga ich zintegrowania z szerszym obrazem. Roboty są jednym z zastosowań inżynierii komputerowej.

Inżynieria komputerowa zwykle zajmuje się takimi dziedzinami, jak pisanie oprogramowania i oprogramowania sprzętowego dla wbudowanych mikrokontrolerów , projektowanie chipów VLSI , projektowanie czujników analogowych , projektowanie obwodów z sygnałami mieszanymi i projektowanie systemów operacyjnych . Inżynierowie komputerowi nadają się również do robotyki , które w dużej mierze opierają się na wykorzystaniu systemów cyfrowych do sterowania i monitorowania systemów elektrycznych, takich jak silniki , komunikacja i czujniki .

W wielu instytucjach szkolnictwa wyższego studenci inżynierii komputerowej mogą wybierać obszary dogłębnych studiów na pierwszym i ostatnim roku, ponieważ pełny zakres wiedzy wykorzystywanej w projektowaniu i stosowaniu komputerów wykracza poza zakres studiów licencjackich . Inne instytucje mogą wymagać od studentów inżynierii ukończenia jednego lub dwóch lat inżynierii ogólnej przed zadeklarowaniem inżynierii komputerowej jako głównego celu.

Ta płyta główna komputera używana w komputerze osobistym jest wynikiem wysiłków inżynierii komputerowej.

Historia

The Difference Engine , pierwszy komputer mechaniczny.

ENIAC , pierwszy komputer elektroniczny.

Inżynieria komputerowa rozpoczęła się w 1939 roku, kiedy John Vincent Atanasoff i Clifford Berry rozpoczęli opracowywanie pierwszego na świecie elektronicznego komputera cyfrowego poprzez fizykę , matematykę i elektrotechnikę . John Vincent Atanasoff był kiedyś nauczycielem fizyki i matematyki na Uniwersytecie Stanowym Iowa, a Clifford Berry byłym absolwentem elektrotechniki i fizyki. Wspólnie stworzyli komputer Atanasoff-Berry , znany również jako ABC, którego ukończenie zajęło pięć lat. Podczas gdy oryginalny ABC został rozebrany i wyrzucony w latach czterdziestych XX wieku, złożono hołd zmarłym wynalazcom, replika ABC została wykonana w 1997 roku, a zbudowanie zespołu naukowców i inżynierów zajęło cztery lata i 350 000 USD.

Współczesny komputer osobisty pojawił się w latach 70. XX wieku, po kilku przełomach w technologii półprzewodnikowej . Należą do nich pierwszy działający tranzystor autorstwa Williama Shockleya , Johna Bardeena i Waltera Brattaina w Bell Labs w 1947 r., Planarny proces autorstwa Jeana Hoerniego , monolityczny układ scalony autorstwa Roberta Noyce'a w Fairchild Semiconductor w 1959 r., Efekt polowy metal-tlenek-półprzewodnik tranzystor (MOSFET lub tranzystor MOS) autorstwa Mohameda Atalli i Dawona Kahnga w Bell Labs w 1959 r. oraz mikroprocesor jednoukładowy ( Intel 4004 ) autorstwa Federico Faggina , Marciana Hoffa , Masatoshi Shimy i Stanleya Mazora w firmie Intel w 1971 r.

Historia edukacji inżynierii komputerowej

Pierwszy program inżynierii komputerowej w Stanach Zjednoczonych powstał w 1971 roku na Case Western Reserve University w Cleveland , Ohio . Od 2015 r. W Stanach Zjednoczonych istniało 250 przez ABET . W Europie akredytacją szkół inżynierii komputerowej zajmują się różne agencje należące do sieci EQANIE . Ze względu na rosnące wymagania dotyczące pracy dla inżynierów, którzy mogą jednocześnie projektować sprzęt, oprogramowanie , oprogramowanie układowe i zarządzać wszystkimi formami systemów komputerowych używanych w przemyśle, niektóre instytucje szkolnictwa wyższego na całym świecie oferują tytuł licencjata, ogólnie nazywany inżynierią komputerową. Zarówno programy inżynierii komputerowej, jak i inżynierii elektronicznej obejmują projektowanie obwodów analogowych i cyfrowych w swoim programie nauczania. Podobnie jak w przypadku większości dyscyplin inżynierskich, inżynierom komputerowym niezbędna jest solidna znajomość matematyki i nauk ścisłych.

Edukacja

Inżynieria komputerowa jest określana jako informatyka i inżynieria na niektórych uniwersytetach. Większość podstawowych zadań inżynierii komputerowej wymaga co najmniej tytułu licencjata z inżynierii komputerowej (lub informatyki i inżynierii). Zazwyczaj trzeba nauczyć się szeregu matematyki , takich jak rachunek różniczkowy , algebra i trygonometria , a także niektóre zajęcia z informatyki . ^{[ potrzebne źródło ]} Stopnie z inżynierii elektronicznej lub elektrycznej również wystarczą ze względu na podobieństwo tych dwóch dziedzin. Ponieważ inżynierowie sprzętu zwykle pracują z systemami oprogramowania komputerowego, konieczne jest solidne doświadczenie w programowaniu komputerowym. Według BLS „kierunek inżynierii komputerowej jest podobny do elektrotechniki, ale do programu nauczania dodano kilka kursów informatycznych”. Niektóre duże firmy lub specjalistyczne prace wymagają tytułu magistra.

Ważne jest również, aby inżynierowie komputerowi nadążali za szybkim postępem technologicznym. Dlatego wielu kontynuuje naukę przez całą karierę. Może to być pomocne, zwłaszcza jeśli chodzi o naukę nowych umiejętności lub doskonalenie już posiadanych. Na przykład, ponieważ względny koszt naprawy błędu rośnie wraz z dalszym etapem cyklu tworzenia oprogramowania, większe oszczędności można przypisać opracowywaniu i testowaniu kodu pod kątem jakości tak szybko, jak to możliwe, zwłaszcza przed wydaniem.

Zawód: Inżynier informatyk

Osoba z zawodem w inżynierii komputerowej nazywana jest inżynierem komputerowym.

Tytuł	Prefiks	Przyrostek	Wymagania
Informatyk	inż.	CpE	Zdał dyplom z inżynierii komputerowej Instytucja: Instytucja edukacyjna (taka jak kolegia, uniwersytety)
Certyfikowany inżynier informatyk	inż.	CCpE	Zdał egzamin certyfikacyjny z inżynierii komputerowej Instytucja: instytucja prywatna (taka jak organizacje zajmujące się inżynierią komputerową i firmy prywatne)
Zarejestrowany inżynier informatyk	inż.	RCpE	Zdał egzamin licencyjny z inżynierii komputerowej Instytucja: Instytucja publiczna (np. Krajowa Rada Regulacyjna)
Zawodowy inżynier komputerowy	inż.	PCpE	Zdany egzamin zawodowy z inżynierii komputerowej lub doświadczenie zawodowe Instytucja: Instytucja publiczna lub prywatna
*może się różnić w zależności od regionu i kraju.

Zastosowania i praktyka

Istnieją dwa główne obszary inżynierii komputerowej: sprzęt i oprogramowanie.

Inżynieria sprzętu komputerowego

Według BLS , Job Outlook dla inżynierów sprzętu komputerowego, oczekiwany dziesięcioletni wzrost od 2019 do 2029 dla inżynierii sprzętu komputerowego wyniósł szacunkowo 2% i łącznie 71,100 miejsc pracy. („Wolniej niż przeciętnie”, jak ich własnymi słowami, w porównaniu z innymi zawodami)”. Jest to spadek w porównaniu z szacunkami inżynierii sprzętu komputerowego BLS z 2014 do 2024 r. o 3% i łącznie 77 700 miejsc pracy. ”i jest to spadek z 7% dla ^{lata 2010-2020 w} szacunkach BLS na lata 2012-2022 i dalej spada z 9% w szacunkach BLS na . najbardziej znaczącym ^{[ potrzebne źródło ]} jest projekt systemu wbudowanego.

Inżynieria oprogramowania komputerowego

Według US Bureau of Labor Statistics (BLS), „przewiduje się, że inżynierowie oprogramowania aplikacji komputerowych i inżynierowie oprogramowania systemów komputerowych będą wśród zawodów rozwijających się szybciej niż przeciętnie”. Oczekiwany dziesięcioletni wzrost od 2014 r. Inżynierii oprogramowania komputerowego był szacowany siedemnaście procent, aw tym samym roku było łącznie 1 114 000 miejsc pracy. To spadek w porównaniu z szacunkami BLS 2012-2022 wynoszącymi 22% dla twórców oprogramowania. I dalej w dół od 30% szacunków BLS 2010-2020. Ponadto rosnące obawy związane z cyberbezpieczeństwem sprawiają, że inżynieria oprogramowania komputerowego jest wysoko powyżej średniego tempa wzrostu dla wszystkich dziedzin. Część prac zostanie jednak zlecona za granicę. Z tego powodu wzrost liczby miejsc pracy nie będzie tak szybki jak w ostatniej dekadzie, ponieważ miejsca pracy, które trafiałyby do inżynierów oprogramowania komputerowego w Stanach Zjednoczonych, trafiałyby zamiast tego do inżynierów oprogramowania komputerowego w krajach takich jak Indie. Ponadto BLS Job Outlook for Computer Programmers, 2014-24 ma -8% (spadek, ich słowami), Job Outlook, 2019-29 -9% (spadek) i 10% spadek w 2021 r. -2031 dla tych, którzy programują komputery (tj. systemy wbudowane), którzy nie są programistami aplikacji komputerowych. Co więcej, liczba kobiet w dziedzinach oprogramowania spadała przez lata nawet szybciej niż w innych dziedzinach inżynierii.

Licencjonowanie i praktyka inżynierii komputerowej

Inżynieria komputerowa jest generalnie praktykowana w większych firmach opracowujących produkty i taka praktyka może nie podlegać licencjonowaniu. Jednak niezależni konsultanci, którzy reklamują inżynierię komputerową, podobnie jak każda inna forma inżynierii, mogą podlegać przepisom stanowym, które ograniczają zawodową inżyniera tylko do osób, które otrzymały odpowiednią licencję. National Council of Examiners for Engineering and Surveying (NCEES) po raz pierwszy zaoferowała egzamin z zasad i praktyki inżynierskiej dla inżynierii komputerowej w 2003 roku.

Obszary specjalistyczne

Istnieje wiele specjalizacji w dziedzinie inżynierii komputerowej.

Projekt procesora

Proces projektowania procesora polega na wyborze zestawu instrukcji i określonego paradygmatu wykonania (np. VLIW lub RISC) i skutkuje mikroarchitekturą, którą można opisać np. w VHDL lub Verilog. Projekt procesora dzieli się na projektowanie następujących komponentów: ścieżki danych (takie jak jednostki ALU i potoki), jednostka sterująca: logika kontrolująca ścieżki danych, komponenty pamięci, takie jak pliki rejestrów, pamięci podręczne, obwody zegara, takie jak sterowniki zegara, PLL, sieci dystrybucji zegara , układ nadawczo-odbiorczy padu, biblioteka komórek bramki logicznej, która jest używana do implementacji logiki.

Kodowanie, kryptografia i ochrona informacji

Kod źródłowy napisany w języku programowania C.

Inżynierowie komputerowi zajmują się kodowaniem, kryptografią i ochroną informacji, aby opracować nowe metody ochrony różnych informacji, takich jak obrazy cyfrowe i muzyka, fragmentacja, naruszenie praw autorskich i inne formy manipulacji. Przykłady obejmują prace nad komunikacją bezprzewodową, systemami wieloantenowymi, transmisją optyczną i cyfrowym znakiem wodnym .

Sieci komunikacyjne i bezprzewodowe

Te koncentrujące się na komunikacji i sieciach bezprzewodowych, postępach w systemach i sieciach telekomunikacyjnych (zwłaszcza sieciach bezprzewodowych), kodowaniu modulacji i kontroli błędów oraz teorii informacji. Projektowanie szybkich sieci , tłumienie i modulacja zakłóceń, projektowanie i analiza systemów odpornych na uszkodzenia oraz schematy przechowywania i transmisji są częścią tej specjalności.

Kompilatory i systemy operacyjne

Windows 10, przykład systemu operacyjnego .

Ta specjalność koncentruje się na projektowaniu i rozwoju kompilatorów i systemów operacyjnych . Inżynierowie w tej dziedzinie opracowują nową architekturę systemu operacyjnego, techniki analizy programów i nowe techniki zapewniania jakości. Przykłady prac w tej dziedzinie obejmują opracowanie algorytmu transformacji kodu w czasie po połączeniu oraz opracowanie nowego systemu operacyjnego.

Informatyka i inżynieria

Nauki i inżynieria obliczeniowa to stosunkowo nowa dyscyplina. Według Sloan Career Cornerstone Center, osób pracujących w tej dziedzinie, „metody obliczeniowe są stosowane do formułowania i rozwiązywania złożonych problemów matematycznych w inżynierii oraz naukach fizycznych i społecznych. Przykłady obejmują projektowanie samolotów, przetwarzanie plazmowe nanometrów na płytkach półprzewodnikowych , VLSI , systemy wykrywania radarów, transport jonów przez kanały biologiczne i wiele więcej”.

Sieci komputerowe, przetwarzanie mobilne i systemy rozproszone

W tej specjalności inżynierowie budują zintegrowane środowiska do obliczeń, komunikacji i dostępu do informacji . Przykładami są sieci bezprzewodowe z dzielonym kanałem, adaptacyjne zarządzanie zasobami w różnych systemach oraz poprawa jakości usług w środowiskach mobilnych i ATM. Niektóre inne przykłady obejmują prace nad systemami sieci bezprzewodowych i klastrowymi systemami przewodowymi Fast Ethernet.

Systemy komputerowe: architektura, przetwarzanie równoległe i niezawodność

Przykład procesora komputera.

Inżynierowie pracujący w systemach komputerowych pracują nad projektami badawczymi, które pozwalają na niezawodne, bezpieczne i wydajne systemy komputerowe. Projekty takie jak projektowanie procesorów do przetwarzania wielowątkowego i równoległego należą do tej dziedziny. Inne przykłady prac w tej dziedzinie obejmują rozwój nowych teorii, algorytmów i innych narzędzi zwiększających wydajność systemów komputerowych.

Architektura komputera obejmuje projekt procesora , układ hierarchii pamięci podręcznej , organizację pamięci i równoważenie obciążenia .

Wizja komputerowa i robotyka

Przykład humanoidalnego robota.

W tej specjalności inżynierowie komputerowi koncentrują się na opracowywaniu technologii wykrywania wizualnego w celu wyczuwania środowiska, reprezentacji środowiska i manipulowania środowiskiem. Zebrane trójwymiarowe informacje są następnie wdrażane do wykonywania różnorodnych zadań. Obejmują one ulepszone modelowanie człowieka, komunikację obrazową i interfejsy człowiek-komputer, a także urządzenia, takie jak kamery specjalnego przeznaczenia z wszechstronnymi czujnikami wizyjnymi.

Systemy wbudowane

Przykłady urządzeń wykorzystujących systemy wbudowane.

Osoby pracujące w tym obszarze projektują technologie zwiększające szybkość, niezawodność i wydajność systemów. Systemy wbudowane można znaleźć w wielu urządzeniach, od małego radia FM po prom kosmiczny. Według Sloan Cornerstone Career Center, ciągły rozwój systemów wbudowanych obejmuje „zautomatyzowane pojazdy i sprzęt do prowadzenia poszukiwań i ratownictwa, zautomatyzowane systemy transportowe oraz koordynację człowiek-robot w celu naprawy sprzętu w kosmosie”. Od 2018 r. Specjalizacje komputerowych systemów wbudowanych obejmują systemów na chipie , architekturę przetwarzania brzegowego i Internet rzeczy .

Układy scalone, projektowanie VLSI, testowanie i CAD

Ta specjalność inżynieria komputerowa wymaga odpowiedniej znajomości elektroniki i układów elektrycznych. Inżynierowie pracujący w tej dziedzinie pracują nad zwiększeniem szybkości, niezawodności i efektywności energetycznej układów scalonych i mikrosystemów nowej generacji o bardzo dużej skali ( VLSI ). Przykładem tej specjalności są prace nad zmniejszeniem energochłonności algorytmów i architektury VLSI.

Przetwarzanie sygnału, obrazu i mowy

Inżynierowie komputerowi w tej dziedzinie opracowują ulepszenia interakcji człowiek-komputer, w tym rozpoznawanie i syntezę mowy, obrazowanie medyczne i naukowe lub systemy komunikacyjne. Inne prace w tej dziedzinie obejmują opracowywanie wizji komputerowej, takie jak rozpoznawanie rysów twarzy człowieka .

Obliczenia kwantowe

Zobacz też

Powiązane pola

Wspomnienia

Linki zewnętrzne

Media związane z inżynierią komputerową w Wikimedia Commons