高中工程學/計算機時代
實驗性計算機於20世紀40年代首次開發，並在20世紀50年代開始具有商業意義。從那時起，它們越來越廣泛地參與到幾乎所有技術部件中。
計算機的發展對社會的影響與以往任何一項工程進步一樣巨大。如今，計算機涉及我們生活的方方面面。它們允許從世界任何地方即時檢索資訊。它們監控和控制我們使用的幾乎所有機械系統的效能，包括汽車、飛機、家用電器；它們還控制大型系統，例如電力生產和配電網路。計算機使手機和網際網路成為可能。計算機滲透到藝術家的創作工作中；它提供了以前無法想象的休閒娛樂機會；並且它徹底改變了工程師和科學家開展工作的方式。在本節中，我們將簡要回顧計算機和電子行業相互關聯的歷史。
計算機技術的進步依賴於電子行業的進步；事實上，如今低成本獲得的先進計算能力是電子技術改進和進步的直接結果。從20世紀10年代開始，持續到20世紀50年代和60年代，真空管是用於實現無線電、電視和其他無數發明等電子裝置的主要技術。但是，真空管有一些缺點——它們體積大，需要大量的功率，並且相對脆弱。
20世紀40年代設計和製造的大多數開創性計算機都是使用真空管構建的。這些早期計算機的效能遠不如控制現代微波爐的典型微控制器；這些早期計算機的電路通常佔據整個房間。真空管技術不可靠——真空管經常燒壞並需要更換。1951年，雷明頓蘭德公司向美國人口普查局交付了第一臺Univac I計算機；最終，以每臺超過100萬美元的價格售出了40多臺這樣的計算機。圖26顯示了UNIVAC I。1952年，國際商用機器公司（IBM）推出了IBM 701。在隨後的幾十年裡，這兩家公司以及其他公司在設計和銷售大型主機計算機方面都獲得了可觀的利潤。（雷明頓蘭德最終成為斯佩裡蘭德，後來成為聯合計算機系統公司。）計算機的設計和實現僱用了數千名工程師；其中大多數工程師是電氣工程師。IBM憑藉其龐大的銷售和服務團隊，到20世紀50年代後期佔據了大約70%的計算機市場份額。他們一直保持著這個地位，直到20世紀70年代，小型機問世並大幅削減了主機計算機的市場份額。
1948年，約翰·巴丁（1908-1991）、沃爾特·布拉頓（1902-1987）和威廉·肖克利（1910-1989），三位貝爾實驗室（AT&T的研究實驗室）的研究人員發明了電晶體。他們因這項發明於1956年獲得諾貝爾獎。電晶體執行與真空管相同的電子功能，但由於它是用矽和金屬製造的，並且不需要玻璃管來保持真空，因此它可以比真空管小得多，並且更堅固。使電晶體在商業上可行需要大量的研究和開發；到20世紀60年代初，電晶體已取代了大多數電子裝置中的真空管。例如，這使得行動式電晶體收音機成為可能。
電晶體在20世紀50年代後期和60年代初期被廣泛用於計算機的設計和製造。電晶體技術使計算機變得更小、更快，並且功耗更低。
另一項對計算機產生重大影響的電子創新是積體電路的發明，它由德州儀器的傑克·基爾比（1923-2005）和快捷半導體的羅伯特·諾伊斯（1927-1990）於1958年獨立發明。積體電路將許多電晶體整合到單個矽晶片上。晶片可以廉價且快速地製造，併為計算機設計人員提供了許多好處，包括更快的計算速度、更低的功耗、更小的物理尺寸和更低的生產成本。
積體電路從20世紀60年代中期開始用於計算機設計。它們使得小型機的開發成為可能。第一批小型機由數字裝置公司製造。其他小型機制造商包括Data General、Wang Laboratories、Apollo Computer和Prime Computer。與典型的主機計算機相比，小型機體積小（大約相當於一個小桌子的大小）且價格便宜（售價數萬美元）。圖27顯示了PDP-12小型機。小型機使小型公司和大學研究實驗室能夠使用計算機。
最後，微處理器的發明使得新一代個人計算機成為可能。微處理器於1971年在德州儀器和英特爾分別獨立發明。微處理器是整合到單個晶片上的整個計算機處理器。圖28顯示了1976年生產的Zilog Z80微處理器。微處理器使計算機的製造成本足夠低廉，業餘愛好者也能負擔得起自己組裝計算機。在20世紀70年代中期，幾家公司成立，為業餘愛好者提供計算機和計算機套件。蘋果電腦公司就是其中之一；其聯合創始人史蒂夫·喬布斯（1955-）很快意識到計算機可以被比業餘愛好者更大的市場使用，並極大地擴大了低端計算機的市場。圖29顯示了Apple II，這款計算機使蘋果成為計算機市場的參與者。1981年，IBM憑藉IBM個人電腦（IBM PC）進入市場，並透過向企業和政府使用者營銷迅速成為主要的個人電腦製造商；IBM PC還在一家名為微軟的小型新公司的建立中發揮了至關重要的作用。
自從積體電路發明以來，電子產品的效能基本上每18個月到兩年翻一番。這種現象被稱為摩爾定律，以英特爾聯合創始人之一戈登·摩爾（1929-）的名字命名。這導致了計算機迅速發展成為當今功能強大的桌上型電腦和筆記型電腦。工程師在這個演變過程中發揮了關鍵作用。
計算機的發展極大地影響了工程領域，就像它影響了現代生活的大部分一樣。工程師現在在其工作的各個階段都使用計算機，尤其是在設計和分析方面。計算機輔助設計（CAD）軟體用於建立設計，然後可以使用計算機控制的機械進行製造。電氣工程師使用CAD工具設計新的計算機和其他電路；該軟體允許工程師管理設計包含超過10億個電晶體的電路的複雜性。計算機還用於分析設計。例如，電氣工程師使用計算機模擬器來驗證電路設計是否能夠正常工作。機械和土木工程師使用計算機分析工具來計算應力和結構，以確保結構不會失效。
使用計算機設計和構建更強大的計算機創造了一個正反饋迴圈。這個反饋迴圈加速了計算機技術的發展。
在許多情況下，新的計算機架構和技術是由小型新成立的公司發明的，一旦它們開始銷售產品，這些公司就會迅速發展壯大。計算機行業的發展表明顛覆性技術反覆出現。顛覆性技術通常引入尚未由現有技術服務的新的市場。在這個新市場中，技術不斷改進，直到它優於原始技術。然後，改進的技術開始取代原始技術和原始市場。在計算機領域，個人計算機就是顛覆性技術的例子。它最初是為了業餘愛好者和家庭使用者而引入的，最初並沒有與更大的主機和小型機競爭。然而，隨著個人計算機技術的改進和成熟，它幾乎完全取代了小型機，並且開始取代許多應用中的主機計算機。
計算機的出現對排版和印刷過程都產生了深遠的影響。在印刷過程中，計算機已開始取代以前用於建立印刷版的照相方法。最初，計算機會輸出到膠片印表機；然後使用膠片建立印刷版。但是，現在使用直接制版技術，計算機直接建立印刷版。
計算機對排版的各個方面產生了更大的影響。文字處理軟體和桌面出版軟體的出現使大多數計算機使用者能夠建立具有許多排版文件特徵的文件。早期的文字處理軟體允許計算機建立與打字機輸出質量相同的文件：所有字元都具有相同的寬度，並且只有一種字型可用。（文字處理軟體確實允許在列印文件之前編輯內容，這比打字機有了很大的進步。）文字處理軟體的複雜性迅速提高，並實現了諸如可變寬度字型、所見即所得（WYSIWYG）以及列印到更高解析度的輸出裝置（如雷射印表機和噴墨印表機）等功能。這些功能使使用者能夠建立看起來非常類似於專業排版的文件；但是，專業排版文字的許多功能是文字處理軟體無法複製的。不幸的是，這些程式固有的侷限性實際上降低了當今印刷的大部分材料的排版質量；計算機程式進行排版的效能才剛剛開始接近專家排版員所能達到的質量。
1903年萊特兄弟首次進行動力飛機飛行，開啟了一系列工程和技術創新，最終成就了當今的現代商用和軍用飛機。在此過程中，取得了重大進展，包括：
- 可靠而強大的發動機的開發。最初，這些發動機是汽油動力活塞發動機；20世紀40年代，噴氣發動機得到開發，並不斷改進，最終形成了當今高效的渦扇發動機。
- 新型結構材料的開發。最初，飛機由木材和織物製成；輕質高強度金屬合金的開發，以及近年來新型複合材料的開發，使飛機能夠變得更大，運載更大的有效載荷，並更有效地使用燃料。
- 電子儀器和執行器的開發。儀器使飛機能夠在幾乎任何天氣條件下導航；如今的現代客機配備了自動駕駛儀，可以控制飛機並自動導航到指定目的地。
- 民用航空基礎設施的開發。機場及其航站樓，可以快速有效地進行飛機登機和行李處理，使商業客運航空成為可能。
現代噴氣客機的設計和實施是一項巨大的工程任務，涉及全球範圍內的數千名工程師進行設計和實施工作。為了說明航空航天工業中的現代工程實踐，我們將考慮波音777的設計。
1995年6月7日，第一架載有付費乘客的波音777從倫敦希思羅機場起飛。這一里程碑是六年多時間裡以及數十億美元用於開發和設計新飛機的努力的結晶。圖30展示了一架波音777降落的情景。
波音777的開發始於20世紀80年代中期。當時，波音的客戶（主要的航空公司，如聯合航空、美國航空、達美航空、英國航空等）表示，他們的一些需求沒有得到當時波音飛機的滿足。波音考慮修改767的設計，但到1989年，顯然這無法滿足客戶的需求。因此，他們開始開發一架新飛機——777。
777是迄今為止設計最複雜的飛機之一。它擁有超過13萬個不同的部件，這些部件由遍佈全球數百家公司製造。777的設計在許多方面都開創了先河：從一開始就包含了大量的客戶參與，使用了設計建造團隊，廣泛使用了CAD軟體，並實現了波音首個商用飛機的電傳操縱系統。
波音從一開始就將潛在客戶納入其設計流程。主要航空公司的代表在設計流程的早期為波音提供了需求。這些航空公司的代表也擔任波音的設計建造團隊成員。
波音為777開發了設計建造團隊的概念。在777之前的客機設計工作中，工程師設計部件；然後將他們的設計傳遞給製造部門，由他們負責實施設計。這通常效率低下，因為設計工程師在設計中沒有考慮製造約束。設計建造團隊包括設計工程師和製造工程師，以便在設計階段解決製造問題。設計建造團隊還包括主要航空公司的成員；例如，航空公司代表可以提供其維護實踐的資訊，以確保飛機能夠得到維護和修理。設計建造團隊還包括來自分包公司的成員，他們確保波音設計工程師與製造777許多部件的小型公司之間進行清晰的溝通。
777設計流程的另一個方面是使用複雜的CAD工具。在777之前，飛機設計完成後，會用“模型”進行驗證。模型是一個物理原型，其目的是確保所有部件都正確地安裝在一起。因此，例如，線束和液壓管路安裝到模型上，然後在組裝第一架飛機時必須再次調整。
另一方面，在777的設計過程中，使用了複雜的CAD系統；該系統的使用消除了大多數模型的需求，並且第一架組裝的777飛機實際上可以飛行。該系統包括兩個元件。第一個是計算機圖形輔助三維介面應用程式（CATIA），用於設計每個部件。第二個是計算機電子預裝配（EPIC），用於確保每個設計的部件都與飛機中的所有其他部件正確配合；例如，軟體會發現某個特定的結構部件會在哪裡與液壓管路發生干涉。CAD系統允許工程師跨設計建造團隊相互溝通設計，以確保在開發過程中設計相互相容。
計算機技術不僅對777的設計至關重要，而且對777的控制系統（基於計算機）也至關重要。在之前的波音客機設計中，飛行員的控制裝置透過電纜連線到液壓執行器，液壓執行器導致控制面移動。相比之下，在777設計中，飛行員的控制動作輸入到計算機系統，該系統確定要透過電線傳送到執行器的電訊號。這種電傳操縱系統節省了大量的成本和重量，但需要複雜可靠的計算機系統來響應飛行員的輸入控制飛機。電傳操縱系統允許777僅由兩名機組人員（一名機長和一名副駕駛）駕駛；如果沒有該系統，則需要更多的機組人員。圖31展示了波音777的駕駛艙。開發777的電傳操縱系統需要編寫和除錯數百萬行計算機程式碼。
777的開發是另一個例子，說明先進的計算機技術如何徹底改變了工程師的工作方式。使用CAD來捕捉設計並模擬結構和機械特性，大大縮短了設計專案所需的時間和成本。此外，使用計算機網路來溝通設計資訊，使得位於不同國家的工程師能夠協同同一個專案。
此材料改編自可在此處找到的原始CK-12書籍。此作品根據知識共享署名-相同方式共享3.0美國許可釋出