Arvutiteadus , arvutite ja arvutite uurimine, sealhulgas nende teoreetilised ja algoritmilised alused, riistvara ja tarkvara ja nende kasutusalad teabe töötlemisel. The distsipliin arvutiteaduse õppimine hõlmab algoritmid - ja andmekonstruktsioonid, arvuti - ja võrgudisain, andmete ja teabeprotsesside modelleerimine ning tehisintellekt . Arvutiteadus saab osa oma alustest matemaatikast ja inseneriteadustest ning seob seetõttu tehnikaid sellistest valdkondadest nagu järjekordade teooria, tõenäosus ja statistika ning elektrooniline vooluahela kujundus. Ka arvutiteadus kasutab seda palju hüpoteesi testimine ja katsetamine uute algoritmide, infostruktuuride ja arvuti arhitektuuride kontseptualiseerimise, kujundamise, mõõtmise ja täiustamise käigus.
sülearvuti Sülearvuti personaalarvuti. Indeks on avatud
Arvutiteadus on nii arvutite ja arvutite uurimine kui ka nende teoreetilised ja praktilised rakendused. Arvutiteadus rakendab matemaatika, inseneriteaduse ja loogika põhimõtteid paljude funktsioonide, sealhulgas algoritm koostis, tarkvara ja riistvara arendamine ning tehisintellekt .
Mõjukaimate arvutiteadlaste hulka kuulub Alan Turing, Teise maailmasõja koodimurdja, mida tavaliselt peetakse tänapäevase andmetöötluse isaks; Tim Berners-Lee, raamatu leiutaja Veeb ; John McCarthy, programmeerimiskeele LISP ja tehisintellekt pioneer; ja Grace Hopper , USA mereväe ohvitser ja võtmeisik varajaste arvutite, näiteks UNIVAC I, arendamisel ning arvutikeele arendamisel koostaja .
Arvutiteadust rakendatakse paljudele erialadele, mis hõlmavad selliste simulatsioonide modelleerimist nagu kliimamuutuste ja Ebola viiruse mõjud, kunsti ja visualiseerimise loomine graafilise renderdamise kaudu ning inimese liidese simuleerimine läbi tehisintellekt ja masinõpe.
Videomäng areng põhineb arvutiteaduse ja programmeerimise põhimõtetel. Videomängude kaasaegses graafikas renderdamisel kasutatakse realistlike efektide pakkumiseks sageli täiustatud tehnikaid, näiteks kiirtejälgimist. Arendus liitreaalsus ja Virtuaalne reaalsus on laiendanud ka videomängude arendamise võimaluste ringi.
Paljud ülikoolid üle kogu maailma pakuvad kraadi, mis õpetab õpilastele arvutiteaduste teooria aluseid ja arvutiprogrammeerimise rakendusi. Lisaks võimaldab veebiressursside ja kursuste levimus paljudel inimestel ise õppida arvutiteaduse praktilisemaid aspekte (näiteks kodeerimine, videomängude arendamine ja rakenduste kujundamine).
Arvutiteadust peetakse viie eraldi, kuid omavahel seotud teadusharu perekonda: arvutitehnika, arvutiteadus, infosüsteemid , infotehnoloogia ja tarkvaratehnika. Seda perekonda on hakatud ühiselt tundma kui arvutiteaduse distsipliini. Need viis distsipliinid on omavahel seotud selles mõttes, et arvutitöö on nende uurimisobjekt, kuid nad on eraldi, kuna kummalgi on oma uurimisperspektiiv ja õppekava. (Alates 1991. aastast on Arvutimasinate Assotsiatsioon [ACM], IEEE Arvutiselts [IEEE-CS] ja Infosüsteemide Assotsiatsioon [AIS] koostööd teinud arendada ja ajakohastada taksonoomia nendest viiest omavahel seotud erialast ja suunistest, mida haridusasutused kogu maailmas kasutavad bakalaureuse-, kraadiõppe- ja teadusprogrammides.)
vana mees ja mere autor
Arvutiteaduse peamisteks alavaldkondadeks on traditsiooniline arvuti arhitektuuri, programmeerimiskeelte ja tarkvaraarenduse õppimine. Kuid need hõlmavad ka arvutusteadust (algoritmiliste tehnikate kasutamine teadusandmete modelleerimiseks), graafikat ja visualiseerimist, inimese ja arvuti suhtlust, andmebaasid ning infosüsteemid, -võrgud ning sotsiaalsed ja professionaalsed probleemid, mis on ainulaadsed arvutiteaduse praktikale. Nagu võib ilmneda, kattuvad mõned neist alavaldkondadest oma tegevuses teiste kaasaegsete valdkondadega, nagu bioinformaatika ja arvutuslik keemia . Need kattuvused tulenevad arvutiteadlaste kalduvusest oma ala arvukaid interdistsiplinaarseid seoseid ära tunda ja nende järgi tegutseda.
Arvutiteadus tõusis 1960. aastate alguses välja iseseisva erialana, ehkki selle uurimise objektiks olev elektrooniline digitaalne arvuti leiutati umbes kaks aastakümmet varem. Arvutiteaduse juured peituvad peamiselt matemaatika, elektrotehnika, Füüsika ja juhtimise infosüsteemid.
Matemaatika on arvuti arendamise kahe põhimõiste allikas - idee, et kogu teavet saab esitada nullide ja üksuste jadadena ning abstraktne mõiste salvestatud programmist. Binaararvude süsteemis tähistatakse numbreid kahendarvude jada 0 ja 1 samamoodi nagu numbreid tuttavas kümnendsüsteemis, kasutades numbreid 0 kuni 9. Suhteline lihtsus, millega kaks olekut (nt kõrge ja madalpinge) saab realiseerida elektri- ja elektrooniline seadmed viisid loomulikult kahendarvuni ehk bittini, muutudes arvutisüsteemi andmete salvestamise ja edastamise põhiüksuseks.
Elektrotehnika pakub vooluahela kujundamise põhitõdesid - nimelt ideed, et vooluahelasse sisestatud elektrilisi impulsse saab meelevaldsete väljundite saamiseks Boole'i algebra abil kombineerida. (19. sajandil välja töötatud Boole'i algebra esitas formaalsuse skeemi kujundamiseks binaarsete sisendväärtustega nullid ja loogika [vastavalt loogika terminoloogias väärad või tõesed], et saada väljundina soovitud nullide ja nullide kombinatsioon.) Leiutis transistor ja vooluringide miniatuurimine koos elektrooniliste, magnetiliste ja optiliste meediumite leiutamisega teabe salvestamiseks ja edastamiseks tulenesid elektrotehnika ja füüsika edusammudest.
Juhtimise infosüsteemid, mida algselt nimetati andmetöötlussüsteemideks, pakkusid varakult ideid, millest võtsid mitmesugused arvutiteaduse kontseptsioonid nagu sortimine, otsimine, andmebaasid , teabe otsimine ja graafilised kasutajaliidesed arenesid. Suurtes korporatsioonides olid arvutid, mis talletasid ettevõtte juhtimisel keskse tähtsusega teavet - palgaarvestust, raamatupidamist, varude haldamist, tootmise kontrolli, saatmist ja vastuvõtmist.
1930. aastatel alustatud arvutusteoreetiline töö võimaldas neid edusamme vajalikul määral laiendada ka tervete masinate kujundamisse; verstapostiks oli Suurbritannia matemaatiku Alan Turingi 1936. aasta Turingi masina spetsifikatsioon (teoreetiline arvutusmudel, mis täidab juhiseid, mis on esitatud nullide ja üksuste reana) ja tema tõestus mudeli arvutusvõime kohta. Teine läbimurre oli salvestatud programmiga arvuti mõiste, mille autor on tavaliselt Ungari ameerika matemaatik John von Neumann. Need on pärit arvutiteaduse valdkonnast, mida hiljem hakati nimetama arhitektuur ja korraldus.
Alan M. Turing, 1951. Teadusajaloo pildid / Alamy
1950. aastatel töötas enamik arvutikasutajaid kas teadusuuringute laborites või suurtes korporatsioonides. Esimene rühm kasutas arvuteid, et aidata neil teha keerulisi matemaatilisi arvutusi (nt rakettide trajektoorid), teine rühm kasutas arvuteid suurte ettevõtete andmete (nt palgalehed ja varud) haldamiseks. Mõlemad rühmad said kiiresti teada, et programmide kirjutamine nullide ja nullide masinakeeles ei olnud otstarbekas ega usaldusväärne. See avastus viis 1950. aastate alguses koostekeele väljatöötamiseni, mis võimaldab programmeerijatel kasutada juhiste jaoks sümboleid (nt ADD lisamiseks) ja muutujaid (nt X ). Teine programm, mida nimetatakse monteerijaks, tõlkis need sümboolsed programmid samaväärseks binaarprogrammiks, mille samme arvuti suutis läbi viia või täita.
Koostatud koodi juppide ühendamiseks ja arvuti mällu laadimiseks töötati välja muud süsteemitarkvara elemendid, mida nimetatakse laadurite ühendamiseks ja kus neid saab käivitada. Eraldi koodijuppide linkimise kontseptsioon oli oluline, kuna see võimaldas taaskasutada programmide raamatukogusid ühiste ülesannete täitmiseks. See oli esimene samm nn arvutiteaduse valdkonna arengus tarkvara tehnika.
Hiljem, 1950. aastatel, leiti, et assamblee keel on nii tülikas, et kõrgetasemeliste keelte (loomulikele keeltele lähemal) väljatöötamine hakkas toetama lihtsamat ja kiiremat programmeerimist. FORTRAN kujunes peamiseks kõrgetasemeliseks keeleks teadusliku programmeerimise jaoks, samal ajal kui COBOL sai äri programmeerimise peamiseks keeleks. Nendes keeltes oli vajadus erineva tarkvara järele, nn koostajad , mis tõlgib kõrgetasemelised keeleprogrammid masinakoodiks. Kui programmeerimiskeeled muutusid võimsamaks ja abstraktsemaks, ehitasid kompilaatorid, mis loovad kõrgekvaliteedilise masinakoodi ning on tõhusad täitmise kiiruse ja salvestusruumi osas tarbimine sai keeruliseks arvutiteaduse probleemiks. Programmeerimiskeelteks nimetatava arvutiteaduse valdkonna keskmes on kõrgetasemeliste keelte kujundamine ja juurutamine.
1960-ndate aastate alguses hakkas arvutite kasutamine suurenema tõuke esimese väljatöötamiseks opsüsteemid , mis koosnes süsteemiresidendist tarkvarast, mis käsitles automaatselt sisendeid ja väljundeid ning tööde nimeliste programmide käivitamist. Nõudlus paremate arvutustehnika järele tõi taas huvi numbriliste meetodite ja nende analüüsi vastu. Tegevus laienes nii laialdaselt, et seda hakati nimetama arvutiteaduseks.
1970. ja 80. aastatel ilmusid võimsad arvutigraafikaseadmed, nii teadusliku modelleerimise kui ka muu visuaalse tegevuse jaoks. (Arvutipõhised graafilised seadmed võeti kasutusele 1950. aastate alguses toorkujutiste kuvamisega paberkandjal ja katoodkiiretoru [CRT] ekraanidel.) Kallis riistvara ja tarkvara piiratud kättesaadavus hoidsid välja kasvamast kuni 1980. aastate alguseni, kui jaoks vajalik arvuti mälu bitikaardi graafika (kus pilt koosneb väikestest ristkülikukujulistest pikslitest) muutusid taskukohasemaks. Bitmap-tehnoloogia koos kõrge eraldusvõimega ekraanide ja graafikastandardite väljatöötamisega, mis muudavad tarkvara vähem masinasõltuvaks, on kaasa toonud valdkonna plahvatusliku kasvu. Kõigi nende tegevuste tugi arenes arvutiteaduse valdkonnaks, mida nimetatakse graafikaks ja visuaalseks arvutuseks.
Selle valdkonnaga on tihedalt seotud süsteemide väljatöötamine ja analüüs, mis suhtlevad vahetult kasutajatega, kes täidavad erinevaid arvutusülesandeid. Neid süsteeme hakati laialdaselt kasutama 1980ndatel ja 90ndatel, kui reatoimetatud suhted kasutajatega asendati graafiliste kasutajaliidestega (GUI). GUI disain, mille eestvedaja oli Xerox ja hiljem võtsid selle kätte Apple (Macintosh) ja lõpuks Microsoft ( Windows ), on oluline, kuna see moodustab mida inimesed arvutiseadmega suheldes näevad ja teevad. Igat tüüpi kasutajatele sobivate kasutajaliideste kujundamine on arenenud arvutiteaduse valdkonnaks, mida nimetatakse inimese ja arvuti suhtluseks (HCI).
graafiline kasutajaliides Xerox Alto oli esimene arvuti, mis kasutas süsteemi juhtimiseks graafilisi ikoone ja hiirt - esimene graafiline kasutajaliides (GUI). Xeroxi nõusolek
Ka arvutiarhitektuuri ja -korralduse valdkond on dramaatiliselt arenenud pärast seda, kui esimesed salvestatud programmiga arvutid töötati välja 1950. aastatel. 1960. aastatel tekkisid nn ajajagamissüsteemid, mis võimaldasid mitmel kasutajal käivitada programme korraga erinevatest terminalidest, mis olid arvutiga ühendatud. 1970ndatel kujunes välja esimene lai ala arvutivõrgud (WAN-id) ja protokollid teabe edastamiseks suurel kiirusel suurte vahemaadega eraldatud arvutite vahel. Nende tegevuste arenedes ühinesid nad arvutiteaduse valdkonnaks, mida nimetatakse võrguks ja kommunikatsiooniks. Selle valdkonna suur saavutus oli Interneti arendamine.
Idee, et juhiseid ja ka andmeid võiks arvuti mällu salvestada, oli kriitiline põhiliste avastuste jaoks algoritmid . See tähendab, sellised küsimused nagu: mida saab / ei saa arvutada? on nende abstraktsete ideede abil ametlikult käsitletud. Need avastused tulid algoritmide ja keerukuse nime all tuntud arvutiteaduste valdkonnast. Selle valdkonna põhiosa on erinevatele rakendustele sobivate andmestruktuuride uurimine ja rakendamine. Andmestruktuurid koos optimaalsete algoritmide väljatöötamisega andmete sisestamiseks, kustutamiseks ja sellistes struktuurides leidmiseks on arvutiteadlaste peamine probleem, kuna neid kasutatakse nii palju arvutitarkvaras, eriti kompilaatorites, operatsioonisüsteemides, failisüsteemides, ja otsingumootorid .
mis on sinise valguse sagedus
1960. aastatel võimaldas magnetkettaseadmete leiutamine kiiret juurdepääsu ketta suvalises kohas asuvatele andmetele. See leiutis viis lisaks nutikamalt kujundatud failisüsteemidele ka failide väljatöötamisele andmebaasi ja teabeotsingusüsteemid, mis hiljem muutusid oluliseks suurte koguste ja mitmesuguste sortide Internetis salvestamiseks, hankimiseks ja edastamiseks. Seda arvutiteaduse valdkonda nimetatakse infohalduseks.
Teine arvutiteaduse uurimise pikaajaline eesmärk on arvutusmasinate ja robotite loomine, mis suudavad täita ülesandeid, mida tavaliselt peetakse vajalikuks inimese intelligentsus . Selliste ülesannete hulka kuuluvad liikumine, nägemine, kuulmine, rääkimine, loomuliku keele mõistmine, mõtlemine ja isegi eksponeerimine inimlik emotsioonid. Intelligentsete süsteemide infotehnoloogia valdkond, algselt tuntud kui tehisintellekt (AI), tegelikult enne esimest elektrooniline arvutid, kuigi see termin tehisintellekt loodi alles 1956. aastal.
Kolm arengut arvutustöös 21. sajandi alguses - mobiilne andmetöötlus, klient-server arvutus ja arvutihäkkimine - aitasid kaasa arvutiteaduse kolme uue valdkonna tekkimisele: platvormipõhine arendus, paralleelne ja hajutatud arvutustehnika ning turvalisus ja teave kindlustus . Platvormipõhine arendus on mobiilseadmete, nende opsüsteemide ja rakenduste erivajaduste uurimine. Paralleelne ja hajutatud arvutus käsitleb arhitektuuride ja programmeerimiskeelte väljatöötamist, mis toetavad algoritmide väljatöötamist, mille komponendid võivad aja ja ruumi paremaks kasutamiseks töötada samaaegselt ja asünkroonselt (mitte järjestikku). Turvalisus ja teabekindlus tegelevad arvutit kaitsvate süsteemide ja tarkvara kujundamisega terviklikkus andmete turvalisus, samuti nende isikute privaatsus, keda need andmed iseloomustavad.
Lõpuks on arvutiteaduse kogu oma ajaloo jooksul eriline mure ainulaadne ühiskondlik mõju, mis kaasneb arvutiteaduse uuringute ja tehnoloogia arenguga. Näiteks Interneti tekkimisega 1980. aastatel pidid tarkvaraarendajad tegelema oluliste probleemidega, mis on seotud infoturbega, isikliku privaatsuse ja süsteemi töökindlusega. Lisaks küsimus, kas arvutitarkvara koosneb intellektuaalne vara ja sellega seotud küsimus Kellele see kuulub? tõi kaasa uue litsentsimis- ja litsentsimisstandardite õigusruumi, mida rakendati tarkvarale ja sellega seotud standarditele esemeid . Need ja muud mured moodustavad arvutiteaduse sotsiaalsete ja ametialaste probleemide aluse ning need ilmnevad peaaegu kõigis teistes eespool määratletud valdkondades.
Kokkuvõtteks võib öelda, et arvutiteaduse eriala on arenenud järgmiseks 15 erinevaks valdkonnaks:
Arvutiteadusel on jätkuvalt tugevad matemaatilised ja insenertehnilised juured. Arvutiteaduste bakalaureuse-, magistri- ja doktoriõppe programme pakuvad tavapäraselt teise astme akadeemilised asutused ning need programmid nõuavad üliõpilastelt asjakohaste matemaatika- ja insenerikursuste läbimist, sõltuvalt nende fookusvaldkonnast. Näiteks peavad kõik arvutiteaduse eriala üliõpilased õppima diskreetset matemaatikat (loogikat, kombinatorikat ja põhigraafiteooriat). Paljud programmid nõuavad ka üliõpilaste kursuste läbimist arvutus , statistika , arvuline analüüs, füüsika ja inseneritöö põhimõtted juba õpingute alguses.
