Đề tài Phương pháp sáng tạo trong sản phẩm công nghệ của Apple

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Khoa học máy tính Khóa 22 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đề tài: Phương pháp sáng tạo trong sản phẩm công nghệ của Apple GVHD: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: 12 11 030 – Đỗ Nguyên Kha Phương pháp nghiên cứu khoa học 1 Lờ i nó i đầ u Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên mà những tiến bộ khoa học kỹ thuật phát triển bùng nổ một cách nhanh chóng. Các quốc gia đẩy mạnh tối đa đầu tư cho sự phát triển để tạo ra những sản phẩm công nghệ có chất lượng ngày càng tốt hơn, mang lại trải nghiệm tốt hơn cho người sử dụng. Để đạt được những tiến bộ vượt bậc đó là sự áp dụng các nguyên tắc sáng tạo khoa học trong khoa học kỹ thuật từ việc hình thành ý tưởng cho đến hiện thực hóa sản phẩm. Do đó, các nguyên tắc sáng tạo được xem như cốt lõi của sự thành công trong việc tạo ra các sản phẩm công nghệ. Việc học hỏi và áp dụng các nguyên tắc sáng tạo vào thực tiễn góp phần quan trọng trong nghiên cứu khoa học. Bài thu hoạch được trình bày gồm hai phần:  Phần 1: Một số ứng dụng của các nguyên tắc sáng tạo trong lĩnh vực phần mềm Trình bày sơ lược về một số nguyên tắc sáng tạo và ứng dụng trong lĩnh vực phần mềm.  Phần 2: Sự sáng tạo của Apple qua các sản phẩm công nghệ Điểm lại quá trình phát triển của các sản phẩm công nghệ của Apple và một số nguyên tắc sáng tạo đã được áp dụng. Phương pháp nghiên cứu khoa học 2 MỤC LỤC I. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRONG LĨNH VỰC PHẦN MỀM ......................................................................................................... 3 1. Nguyên tắc phân nhỏ ............................................................................................ 3 2. Nguyên tắc tách khỏi ............................................................................................ 3 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ ............................................................................... 4 4. Nguyên tắc phản đối xứng .................................................................................... 4 5. Nguyên tắc kết hợp ............................................................................................... 4 6. Nguyên tắc vạn năng ............................................................................................ 5 7. Nguyên tắc “chứa trong” ...................................................................................... 5 8. Nguyên tắc phản trọng lượng ............................................................................... 5 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ ............................................................................. 6 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ ............................................................................... 6 11. Nguyên tắc dự phòng ........................................................................................ 6 12. Nguyên tắc đẳng thế .......................................................................................... 7 13. Nguyên tắc đảo ngược ...................................................................................... 7 14. Nguyên tắc làm tròn hóa ................................................................................... 7 15. Nguyên tắc linh động ........................................................................................ 7 16. Nguyên tắc giải thiếu hoặc thừa ........................................................................ 8 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác ................................................................. 8 18. Sử dụng các dao động cơ học ........................................................................... 8 19. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ ...................................................................... 9 20. Nguyên tắc liên tục tác động có ích .................................................................. 9 21. Nguyên tắc biến hại thành lợi ........................................................................... 9 II. SỰ SÁNG TẠO CỦA APPLE QUA CÁC SẢN PHẨM CÔNG NGHỆ ............. 11 1. iPhone (2007) ..................................................................................................... 12 2. iPhone 3G và 3GS (2008-2009) ......................................................................... 13 3. iPhone 4 và 4S (2010-2011) ............................................................................... 14 4. iPhone 5 (2012) .................................................................................................. 16 III. KẾT LUẬN ........................................................................................................ 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 19 Phương pháp nghiên cứu khoa học 3 I. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRONG LĨNH VỰC PHẦN MỀM 1. Nguyên tắc phân nhỏ a. Chia một đối tượng thành nhiều phần khác nhau Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Chia một hệ thống lớn thành các thành phần nhỏ hơn có khả năng kết nối và phối hợp hoạt động Áp dụng: Phân chia hệ thống xử lý thành các thành phần xử lý độc lập, chia nhỏ, tính toán và tổng hợp kết quả từ các thành phần xử lý con (Map-Reduce của Google) b. Mô-đun hóa các đối tượng Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Chia nhỏ những hàm xử lý và thuộc tính tương tự nhau thành các thành phần tự hoạt động (mô-đun) Áp dụng: Template của C++ cung cấp khả năng đóng gói mã của thành phần thực thi 2. Nguyên tắc tách khỏi a. Tách những thành phần kỹ thuật khỏi các phần cần thiết Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Chi một ngôn ngữ, định nghĩa sự thể hiện cho ngữ pháp của nó cùng với một trình thông dịch sử dụng sự trình thể hiện đó để phân tách/thông dịch các câu trong ngôn ngữ Áp dụng 1: Tách văn bản trong hình ảnh. Các kỹ thuật phân đoạn hình văn bản hữu ích trong việc định vị và tách những khối văn bản trong hình ảnh. Thuật toán này làm việc mà không cần biết đến chiều, kích thước và loại chữ được sử dụng. Nó được thiết kế để loại bỏ ảnh nền khỏi thông tin và highlight hay nhận dạng những vùng của hình ảnh có chứa văn bản Phương pháp nghiên cứu khoa học 4 Áp dụng 2: Bộ phân tích (Parser). Tách dữ liệu là quá trình dữ liệu lập trình đầu vào (mã nguồn) được phân tích thành những phần nhỏ hơn, những phần nhỏ thông tin này có thể dể dàng được thông dịch và xử lý 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ a. Hay đổi cấu trúc của hệ từ đồng nhất thành bất đồng nhất; thay đổi môi trường bên ngoài từ đồng nhất thành bất đồng nhất Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Thay đổi phân loại đối tượng của hệ thống từ phân cấp đồng nhất sang phân cấp không đồng nhất Áp dụng 1: Một phương pháp lấy mẫy không đồng nhất cho việc nhận dạng ký tự. Phương pháp xác định việc trích xuất đặc trung như việc lấy mẫu một chiều trong một hướng vuông góc với một đường cho trước. Việc lấy mẫu được thực hiện với chu kỳ không đồng nhất để tránh việc nhận dạng nhầm hay đường gần nhau thành một đường duy nhất b. Làm cho những hành phần khác nhau của hệ thống có những chức năng và tác dụng khác nhau 4. Nguyên tắc phản đối xứng a. Thay đổi hình dạng của từ đối xứng sang bất đối xứng Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: thay đổi sự đối xứng của một hệ thống kỹ thuật để tạo ra hiệu ứng bất đồng nhất trong tính toán Áp dụng: Giả sử có những quả bóng và những cái giỏ xử lý liên quan đến việc cân bằng tải ngẫu nhiên, phân hoạch động tài nguyên hệ thống hay băm. Giả sử có có n trái bóng cần được để vào n cái giỏ, trong khi đó mỗi trái bóng phải được được đặt mà không cần biết đến sự phân bổ của các quả bóng trước đó. Mục đích của thuật toán là để đặt được một sự phân hoạch như thế cho do có những giỏ có nhiều bóng hơn mức trung bình 5. Nguyên tắc kết hợp Phương pháp nghiên cứu khoa học 5 a. Làm cho quá trình xử lý song song hoặc đồng thời Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Làm cho những tiến trình thực thi song song Áp dụng: Đồng bộ hóa các tiểu trình trong quá trình thực thi. Sắp lịch các tiểu trình nắm quyền điều khiển 6. Nguyên tắc vạn năng a. Làm một đối tượng có nhiều chức năng, giảm sự cần thiết của những đối tượng khác Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Làm cho hệ thống hỗ trợ nhiều và động sự phân lớp dựa trên ngữ cảnh Áp dụng: Dựa vào sở thích đăng nhập của người dùng một ngữ cảnh là kết quả của nhu cầu thực hiện một hành động cụ thể. Tùy thuộc vào ngữ cảnh, hệ thống hiển hiên những đặc trưng của ngữ cảnh 7. Nguyên tắc “chứa trong” a. Đặt một đối tượng trong một đối tượng khác; lần lượt đặt mỗi đối tượng vào đối tượng khác Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Kế thừa những chức năng của nhưng đối đượng khác bằng cách chưa những thể thể hiện của chúng tro ng lớp cơ sở Áp dụng: Lồng những đối tượng trong lập trình hướng đối tượng. Các đối đượng được đặt trong những đối tượng khác để tăng cừng chức năng của chúng 8. Nguyên tắc phản trọng lượng a. Kết hợp đối tượng với những đối tượng khác để nâng đỡ chúng chống lại trọng lượng Phương pháp nghiên cứu khoa học 6 Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Sử dụng chia sẽ để hỗ trợ các đối tượng hạt một cách hiệu quả để cân bằng tải động trong hệ thống Áp dụng: Đối tượng chia sẽ có thể được sử dụng trong nhiều ngữ cảnh một cách đồng thời; nó đóng vai trò như một đối tượng độc lập trong mỗi ngữ cảnh – nó không thể phân biệt được với các thực thể không được chia sẻ khác 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ a. Gây ứng suất sơ bộ lên đối tượng để tránh những căng thẳng quá mức Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Gây ứng suất sơ bộ lên hệ thống để cải thiện hiệu năng tính toán sau đó Áp dụng: Đảo ngược các dòng văn bản trước khi so khớp ngắt dòng để tăng hiệu quả so khớp mẫu 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ a. Thực hiện những thay đổi trước khi cần thiết, một phần hay toàn bộ đối tượng. Áp dụng: Máy ảo Java (JVM) chuyển những mã nguồn dạng văn bảng thành dạng trung gian trước khi thực thi và/hoặc biên dịch chúng thành mã máy nhị phân cụ thể 11. Nguyên tắc dự phòng a. Chuẩn bị cho tình huống khẩn cấp trước để bổ sung độ tin cậy cho các đối tượng Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Sử dụng thuật toán có thể xử lý những tình huống xấu nhất có hại và bảo toàn và bảo toàn sự bất biến toàn thể Áp dụng: Cân bằng xếp lịch trong những hệ thống mạng không dây Phương pháp nghiên cứu khoa học 7 12. Nguyên tắc đẳng thế a. Trong một môi trường tiềm năng, hạn chế sự thay đổi vị trí Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Thay đổi điều kiện xử lý của một thuật toán để kiếm soát dòng dữ liệu vào và ra của tiến trình Áp dụng: Sử dụng một hệ thống lưu trữ lâu dài các đối tượng (nguồn điện là năng lượng tiềm năng, dữ liệu là thông tin tiềm năng) 13. Nguyên tắc đảo ngược a. Đảo ngược hành động để giải quyết vấn đề Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Lưu trữ những giao tác để đảo ngược chúng khi cần thiết Áp dụng: Phục hồi và lần ngược (backtracking) trong các hệ quản trị cơ sở dữ liệu 14. Nguyên tắc làm tròn hóa a. Thay thế các thành phần tuyến tính bằng các thành phần tròn, mặt phẳng bởi các mặt cầu, khối lập phương bởi hình cầu Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Thay đổi các kiểu dữ liệu tuyến tính bởi các đối tượng trừu tượng vòng (circular) Áp dụng: Bộ đệm liên kết (bound buffer) cung cấp một cơ chế lưu trữ vô hạn cho các thông tin số như các biến 15. Nguyên tắc linh động a. Cho phép hoặc thiết kế đặc tính của đối tượng, môi trường ngoài hoặc xử lý có thể thay đổi để tối ưu hoặc tìm một điều kiện hoạt động tối ưu Áp dụng: Thư viện liên kết động (DLL) của hệ điều hành Microsoft Windows Phương pháp nghiên cứu khoa học 8 16. Nguyên tắc giải thiếu hoặc thừa a. Nếu như 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. Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Tăng hiệu năng của việc đo lường và xác định bằng cách phân tích nhiễu loạn Áp dụng: Khi thực hiện đo lường các thao tác được tạo ra bởi chưng trình, hành vi thực tế có thể bị xáo trộn. Vì vậy bằng cách sử dụng phân tích nhiễu loạn, chung ta có thể làm hơi thiếu hoặc thừa ảnh hưởng để số lượng tính toán thực tế 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác a. 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). Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Dùng tổ hợp của nhiều lớp đối tượng thay vì một lớp duy nhất Áp dụng: Kết hợp các đối tượng kết thừa để hướng tới một sức sắp xếp mới của chức năng 18. Sử dụng các dao động cơ học a. Sử dụng các dao động cơ học Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Thay đổi tần suất của sự thực thi thực toán theo thời gian cho đến khi đạt được kết quả mong muốn Phương pháp nghiên cứu khoa học 9 Áp dụng: Sử dụng hình ảnh định kỳ theo sự thay đổi tỷ lệ quả thuật toán trên một đối tượng thay đổi lần lượt cho đến khi đạt được trạng thái lý tưởng 19. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ a. Chuyển tác động liên tục thành tác động theo chu kỳ Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Thay vì thực thi những tác vụ liên tục, xác định khoảng thời giản để thực thi tác vụ đó theo chu kỳ Áp dụng: Các thuật toán xếp lịch: cron-jobs, lịch sao lưu/nhân bản dữ liệu 20. Nguyên tắc liên tục tác động có ích a. 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) Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Phát triển một giải pháp hạt tốt để tối ưu bộ xử lý khi ở tải tối đa Áp dụng: Dịch vụ truyền hình theo sát yêu cầu xếp lịch chiếu những bộ phim khác nhau dựa vào sự phổ biến để tối ưu hóa thông lượng. b. Tiết giảm vận hành không tải Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Phát triển giải pháp xử lý đồng thời để giảm thiểu sự khóa thực thi của các tiến trình hoặc tiểu trình Áp dụng: Đồng bộ các giải pháp đọc ghi trong các giao tác của cơ sở dữ liệu 21. Nguyên tắc biến hại thành lợi a. Khắc phục tác nhân có hại bằng cách kết hợp nó với tác nhân có hại khác Phương pháp nghiên cứu khoa học 10 Ý nghĩa trong kỹ thuật phần mềm: Đảo được vai trò của các tiến trình có hại và chuyển hướng chúng quay ngược lại Áp dụng: Tấn công từ chối dịch vụ phân tán (DDoS) làm bão hòa đường truyền mạng. Nó chỉ đơn giản là gây quá tải cho máy chủ với một số lượng lớn truy cập, ngăn cản những người sử dụng bình thường truy cập các máy chủ. Khác với các loại tấn công khác, các cuộc tấn công từ chối dịch vụ hoạt động dựa trên sự tập hợp của các máy tính zombie vô thức tham gia làm quá tải máy chủ. Thiệt hại gây ra rất lớn vì bản chất phan tán của cuộc tấn công. Kẻ tấn công có thể khai thái các kênh không an toàn và dễ dàng truy cập Internet để tổng hợp một lượng lớn lưu lượng truy cập. Do đó, có thể chuyển đổi yếu tố có hải (quá tải) thành yếu tố có ích (giảm hiệu quả của zombie) bằng cách tạo ra quá trình thắt cổ chai trên các máy tính zombie, hạn chế khả năng tấn công. Việc này có thể được thực hiện bằng cách yêu cầu các máy tính tấn công giải quyết những câu đố trước khi kết nối được thiết lập. Việc giải những câu đố sẽ tiêu tốn hiệu năng tính toán, giới hạn lại số lượng kết được thiết lập một lúc. Phương pháp nghiên cứu khoa học 11 II. SỰ SÁNG TẠO CỦA APPLE QUA CÁC SẢN PHẨM CÔNG NGHỆ Apple là tập đoàn công nghệ hàng đầu thế giới có trụ sở tại Mỹ. Trong hơn 5 năm trở lại đây chúng ta đã quá quen thuộc với cái tên Apple hay được người Việt Nam gọi với cái tên thân mật hơn là “trái táo cắn dở”. Những sản phẩm của Apple như iPod, iPhone, iPad, Macbook được biết đến như những sản phẩm với doanh số hàng đầu cũng như tích hợp những công nghệ mới nhất nhằm đem lại trải nghiệm tốt nhất cho người sử dụng. Để có được thành công như ngày hôm nay Apple không chỉ dựa vào việc áp dụng các công nghệ mới và sản phẩm mà chính là sự không ngừng sáng tạo của đội ngũ thiết kế cũng như của “kiến trúc sư trưởng” Steve Jobs. Apple không phải là công ty đầu tiên tạo ra chiếc điện thoại thông minh (smartphone) sử dụng màn hình cảm ứng, cũng nhưng không phải công ty đầu tiên sáng tạo ra cái mà chúng ta vẫn gọi là máy tính bảng (tablet) nhưng lại là công ty thành công nhất trong việc đưa các sản phẩm này đến người tiêu dùng. Cầm trên tay một sản phẩm của Apple bạn sẽ không cảm nhận được mình đang sử dụng một chiếc máy tính nhàm chán với một dải các phím bấm chức năng được sắp xếp dàn trải mà là tương tác thực sự với chúng. Từ thiết kế bên ngoài cho đến giao diện và các chức năng kèm theo đều gần như hoàn hảo. Chính vì lý do này iPhone – chiếc điện thoại đầu tiên của Apple đã đạt được thành công rực rỡ trước các đối thủ, biến Apple từ một công ty sản xuất máy tính trong phút chốc trở thành công ty sản xuất điện thoại hàng đầu thế giới. Chính Apple đã mở ra một thời đại mới cho chiếc điện thoại, khiến các hãng điện thoại hàng đầu như Nokia phải lúng túng và xoay xở tìm hướng đi mới, đẩy Nokia từ một công ty sản xuất điện thoại hàng đầu thế giới đến bờ vực phá sản. Phương pháp nghiên cứu khoa học 12 1. iPhone (2007)  Chiếc iPhone đầu tiên ra mắt vào ngày 9 tháng 1 năm 2007.  Steve Jobs hình thành ý tưởng của việc sử dụng màn hình cảm ứng đa chạm để tương tác với máy tính theo các người ta có thể gõ trực tiếp lên màn hình, hoàn toàn loại bỏ chuột và bàn phím vật lý giống như với máy tính bảng (Microsoft đã đưa ra khái niệm máy tính bảng từ những năm 2000). Jobs thành lập một nhóm các kỹ sư để nghiên cứu ý tưởng. Khi Jobs xem xét mẫu thử và giao diện người dùng, Jobs lại tiếp tục đưa ra ý tưởng thứ hai là hiện thực hóa công nghệ này với chiếc điện thoại di động. Tất cả nỗ lực này gọi là Project Purple 2 và bắt đầu năm 2005. Ta có thể thấy nguyên tắc vạn năng đã được Jobs áp dụng trong những ý tưởng ban đầu trước khi chiếc iPhone đầu tiên ra đời: loại bỏ những thành phần không cần thiết và thay thế chức năng của những thành phần này bằng cách tích hợp tất cả vào chiếc màn hình cảm ứng.  Về thiết kế, chiếc iPhone thế hệ đầu tiên có kích thước 3.5 inches với màn hình cảm ứng đa chạm. Chiếc iPhone được tối giản tối đa các phím vật lý với chỉ 5 phím, nếu so sánh nó với những chiếc điện thoại cảm ứng phổ biến lúc bây giờ là một sự khác biệt quá lớn. Hầu hết thao tác đều được thực hiện thông qua bàn phím ảo và các đối tượng tương tác trên màn hình cảm ứng, Apple đã sử dụng nguyên tắc biến hại thành lợi. việc thiếu vắng các phím vật lý nếu nhìn từ góc độ những chiếc điện Phương pháp nghiên cứu khoa học 13 thoại thông minh lúc bấy giờ, điển hình như BlackBerry của RIM với bàn phím QWERTY sẽ đưa ra kết luận đầu tiên là việc sử dụng các chức năng sẽ khó hơn, tuy nhiên Apple lại giải quyết bài toán một cách hoàn hảo. Các phím bấm vật lý được thay thế bằng bàn phím ảo và sự tương tác với các ứng dụng trên màn hình, tận dụng tối đa cảm ứng đa chạm bằng cách tạo ra các thao tác tự nhiên với người như như kéo, dùng 2 ngón để phóng to, cho phép xoay màn hình thay đổi hướng của bàn phím dựa vào cảm biến gia tốc… đã mang lại trải nghiệm mới lạ đối với người sử dụng, mang lại thành công rực rỡ cho Apple trên toàn cầu. 2. iPhone 3G và 3GS (2008-2009)  Tiếp theo thành công của iPhone thế hệ đầu tiên, iPhone thế hệ thứ 2 và thứ 3 tiếp tục có những cải tiến về mặt công nghệ, Apple tiếp tục áp dụng nguyên tắc vạn năng trong việc cải thiện chiếc điện thoại thông minh này.  Tích hợp 3G: Với chiếc iPhone thế thệ thứ 2, Apple đã khắc phục một khuyết điểm so với các đối thủ khác là hỗ trợ kết nối 3G, vốn đã rất phổ biến trên điện thoại thông minh của các hãng khác. Mở r