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

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Đề tài: Ứng Dụng Các Nguyên Tắc Sáng Tạo Trong Quá Trình Hình Thành Và Phát Triển Máy Tính Giảng viên: GS... Sự vận dụngnhững nguyên tắc sán

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA

HỌC TRONG TIN HỌC

Đề tài: Ứng Dụng Các Nguyên Tắc Sáng Tạo Trong

Quá Trình Hình Thành Và Phát Triển Máy Tính

Giảng viên: GS TSKH HOÀNG VĂN KIẾM Học viên thực hiện: NGUYỄN VŨ HUY

Mã số học viên: CH1101094 Lớp: Cao học khóa 6

Chúng ta đang sống trong một kỉ nguyên của khoa học công nghệ với sự bùng nổthông tin Khoa học công nghệ đã trở thành động lực và công cụ thúc đẩy sự tiến bộcủa nhân loại Thông qua hoạt động nghiên cứu, con người không ngừng tìm tòi, sángtạo ra những sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu của xã hội Phương pháp luận sáng tạokhoa học đóng vai trò định hướng hoạt động sáng tạo của con người cũng vì thế mà trởnên quan trọng.

Phương pháp luận sáng tạo khoa học là phần ứng dụng của Khoa học về sáng tạo,bao gồm hệ thống các phương pháp và kỹ năng cụ thể giúp nâng cao năng suất và hiệuquả, qua đó tiến tới điều khiển tư duy sáng tạo của con người

Trong phạm vi bài tiểu luận, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu nội dung cùng một vàidẫn chứng minh họa về những nguyên tắc sáng tạo khoa học cơ bản Sự vận dụngnhững nguyên tắc sáng tạo khoa học trong tin học được trình bày chi tiết qua một ví dụsáng tạo điển hình – Máy tính và lịch sử hình thành máy tính

Em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Hoàng Kiếm, người đã tận tâm truyền đạtnhững kiến thức nền tảng cho chúng em trong môn học “Phương nghiên cứu khoa họctrong tin học” Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô của trường ĐH CNTT cùng các bạntrong lớp đã đóng góp những ý kiến bổ ích, tạo điều kiện để em hoàn thành bài tiểuluận

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

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

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

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 đượcphân nhỏ thành các gói (packages) để gửi đi Tương tự, khi upload một file có dunglượng lớn lên internet, file cũng được phân nhỏ, upload từng phần để tiện trong upload

- 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 côngviệc

Hình 1.2 – Samsung Galaxy Beam

7 Nguyên tắc “chứa trong”

- Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng tương tác với môi trường như sử dụng cáclực 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 hoặckhông mong muốn khi đối tượng làm việc (hoặc gây ứng suất trước để khi làm việc sẽdùng ứng suất ngược lại)

- Nếu theo điều kiện bài toán cần thực hiện tác động nào đó, cần thực hiện phản tácđộng 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 lợinhất, không mất thời gian dịch chuyển

Quỹ tích của những điểm có cùng một thế năng, gọi là mặt đẳng thế Trong vật lýngười ta đã chứng minh được rằng, một vật chuyển động trên mặt đẳng thế thì khôngsinh công.

13 Nguyên tắc đảo ngược

Nội dung

- Thay vì hành động như yêu cầu bài toán, hãy hành động ngược lại (ví dụ: khônglàm 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 (trongthành 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, kếtcấu 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 chúngtối 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 “mộtchút” Lúc đó bài toán có thể trở nên đơn giản hơn và dễ giải hơn một cách đáng kể

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 trênmặt 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 tíchcho trước

- 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

- 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 thuđược 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 mộtchùm xung vô tuyến có cường độ lớn và thu sóng phản xạ lại bằng máy thu Bằng cáchphân tích sóng phản xạ, vật phản xạ được định vị, và đôi khi được xác định hình dạng

- Động cơ turbin phản lực thường được dùng làm động cơ đẩy cho máy bay Khôngkhí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút khí và được néntới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt Ở đây không khí trộn với nhiên liệu và đượcđốt cháy Quá trình cháy này khiến nhiệt độ khí tăng lên rất nhiều Các sản phẩm cháynhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng đốt và chạy qua turbin để làm quay máy nén Luồngkhí bên trong turbin thoát ra ngoài thông qua ống thoát khí, tạo ra một lực đẩy phản lựcngược chiều Nếu tốc độ phản lực vượt quá tốc độ bay, máy bay sẽ có được lựcđẩy 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 sạcpin, người ta dùng thêm một bộ phận sạc, một đầu kết nối với dây sạc, một đầu đượccắm vào nguồn điện

- Cùng với sự phát triển của đời sống, nhu cầu kết bạn, giao lưu của con người ngàycàng cao Do đó, mạng xã hội ra đời Mạng xã hội (Facebook, Twitter…) là dịch vụ nốikết các thành viên cùng sở thích trên Internet lại với nhau với nhiều mục đích khácnhau không phân biệt không gian và thời gian

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 thờigian không sử dụng

26 Nguyên tắc sao chép (copy)

Ví dụ

Trong các bộ phim đòi hỏi những cảnh quay hoành tráng về chiến tranh, thảm họathiên 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 pháhủy hay cảnh nước biển quét sạch dãy Himalaya

27 Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt”

- 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 đổitheo thời gian, các trường đồng nhất sang có cấu trúc nhất định

- 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 suấthoạt động trong một kỷ nguyên điện toán có hiệu quả tiết kiệm điện năng cao Intel làcông ty đầu tiên triển khai công nghệ sản xuất silicon 65nanomet (nm) tiên tiến trongnăm 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

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 cóthể 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 chấtphụ gia màu, hùynh quang

- Nếu các chất phụ gia đó đã được sử dụng, hãy dùng các nguyên tử đánh dấu

Ví dụ

- Công nghệ nhận dạng giọng nói không phải là thứ gì đó quá mới mẻ, nhưng khicông nghệ nhận dạng giọng nói Siri được tích hợp trong một thiết bị như iPhone 4S lậptức 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

- Thay đổi trạng thái đối tượng

- Thay đổi nồng độ hay độ đậm đặc

- Thay đổi độ dẻo

- Thay đổi nhiệt độ, thể tích

- 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

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 đơngiản đã định nghĩa trước Quá trình tác động tương hỗ phức tạp của các thành phần nàytạo cho máy tính một khả năng xử lý thông tin Nếu được thiết lập chính xác (thôngthường bởi các chương trình máy tính) máy tính có thể mô phỏng lại một số khía cạnhcủa 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 đổicủa 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: