رایانه، علم
رایانه، علم (computer science)
ارائه نظریه‌ها، انجام آزمایش‌ها، و فعالیت‌های مهندسی که مبنای طراحی و استفاده از رایانه‌ها را شکل می‌دهند. سابقۀ علم رایانه به فعالیت‌های چارلز بابیج[۱] ریاضی‌دان انگلیسی که در ۱۸۳۷ یک ماشین محاسب مکانیکی قابل برنامه‌ریزی ابداع کرد، بازمی‌گردد. تا قبل از اختراع رایانه‌های الکترونیکی دیجیتال در دهۀ ۱۹۴۰، علم رایانه به‌عنوان یک حوزۀ علمی، جدای از ریاضیات و مهندسی در نظر گرفته نمی‌شد. از دهۀ ۱۹۴۰ به این سو شاخه‌های بی‌شمار تحقیقاتی که فقط ویژۀ این حوزۀ از علم بودند ظهور کردند و آن را از دیگر حوزه‌های علوم مستقل ساخت. فعالیت‌های اولیه در حوزۀ علم رایانه در اواخر دهۀ ۱۹۴۰ و اوایل دهۀ ۱۹۵۰ بیشتر بر خودکار سازی فرآیند انجام محاسبات (برای استفاده در علوم مهندسی) متمرکز بود. در این دوره علم رایانه تا حد زیادی با شاخه‌ای از ریاضیات با نام آنالیز عددی که صحت و دقت محاسبات را مورد بررسی قرار می‌دهد، مرتبط بود و تداخل داشت. با گسترش استفاده از رایانه در دهه‌های ۱۹۵۰ تا ۱۹۷۰ زمینۀ کاری علم رایانه گسترش یافت و مواردی همچون تسهیل در استفاده از رایانه‌ها از طریق زبان‌های برنامه‌نویسی، کشف و ابداع کاربردها و طراحی‌های جدید رایانه، ایجاد اولین شبکه‌های رایانه‌ای و مطالعۀ رابطه بین محاسبات رایانه‌ای و تفکر را شامل شد. اختراع ریزپردازنده‌ها در دهۀ ۱۹۷۰ و به تبع آن ابداع رایانه‌های شخصی و رشد انفجاری استفاده از رایانه موجب شد که دستاوردهای علم رایانه در جامعه گسترده شود. در دهه‌های ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰، علم رایانه با ابداع کاربردهای جدید برای رایانه‌های شخصی[۲] به سرعت گسترش یافت. تحقیقات در علم رایانه مبتنی بر ترکیبی از نظریه‌پردازی، مهندسی و آزمایش و تجربه است. اهداف علم رایانه دامنۀ وسیعی را دربرمی‌گیرد؛ از یافتن راه‌هایی برای آموزش بهتر مردم برای استفاده از سیستم‌های رایانه‌ای موجود تا تحقیقات کاملاً نظری درباره راه‌حل‌ها و فناوری‌‌هایی که شاید تا دَه‌ها سال بعد، کاربرد مهمی نداشته باشد. علم رایانه را می‌توان به چهار زمینۀ اصلی تقسیم کرد: طراحی و ساخت نرم‌افزار، معماری رایانه (سخت‌افزار)، رابطه انسان و رایانه و هوش مصنوعی. هدف طراحی نرم‌افزار ساختن برنامه‌های رایانه‌ای با عملکردی کارآمد است. در معماری رایانه برای ساختن سخت‌افزار مناسب جهت نیازهای محاسباتی مختلف تلاش می‌شود. حوزه‌های هوش مصنوعی و رابطه انسان و رایانه اغلب با ساختن سخت‌افزار و نرم‌افزار مناسب برای حل یک مسئلۀ خاص سروکار دارند. در طراحی نرم‌افزارهای رایانه‌ای، دانشمندان و مهندسان رایانه زمینه‌ها و تکنیک‌های مختلف طراحی نرم‌افزار را بررسی می‌کنند. ازجمله یافتن بهترین زبان‌های رایانه‌ای و الگوریتم‌ها برای حل یک مسئله، ذخیره‌سازی و باریابی کارآمد اطلاعات و محدودیت‌های محاسباتی ترکیب نرم‌افزار و رایانه. طراحی نرم‌افزار زمینه‌های تحقیقاتی مختلفی مثل الگوریتم‌ها، ساختمان داده‌ها، پیچیدگی الگوریتم، تئوری محاسبه‌پذیری، بانک‌های اطلاعاتی، باریابی اطلاعات، داده‌کاوی، سیستم‌های عامل، محاسبات عددی و محاسبات سمبولیک را شامل می‌شود. معماری رایانه دانش طراحی و تحلیل سیستم‌های رایانه‌ای جدید است. متخصصان معماری رایانه به‌دنبال روش‌هایی برای بهترکردن رایانه‌ها از طریق افزایش سرعت، ظرفیت ذخیره‌سازی[۳]، قابلیت اطمینان، کاهش هزینه‌ها و مصرف توان آن‌ها هستند. محققان هوش[۴] مصنوعی نیز می‌کوشند رایانه‌ها را با مدل‌کردن استنباط، ادراک، نمایش آگاهی، حل مسئله، منطق موردی، تشخیص گفتار، بینایی ماشین و شبکه‌های عصبی مصنوعی از قابلیت هوش و ادراک انسانی برخوردار کنند. علم رباتیک شاخۀ دیگری از علم رایانه است که هدف آن طراحی و ساخت دستگاه‌های مکانیکی تحت کنترل رایانه است. دانشمندان رباتیک بر روی زمینه‌های مختلف کنترل ربات‌ها تحقیق می‌کنند ازجمله مدل‌سازی خصوصیات فیزیکی ربات‌ها، مدل‌سازی محیط کاری و برنامه‌ریزی عملکرد آن‌ها، افزایش بازدهی مکانیسم‌ها، استفاده از حس‌گرها[۵] برای دادن بازخورد[۶] به نرم‌افزار کنترل‌کنندۀ ربات و اطمینان از ایمن‌بودن رفتار ربات. رابطۀ انسان و رایانه شاخۀ دیگری از علوم رایانه است که هدف آن ابداع و ساختن ابزارها و شیوه‌های استفادۀ انسان از رایانه است. تحقیقات در این شاخه از علوم رایانه به خاطر تنوع کاربران و موارد استفاده مختلف از رایانه‌ها بسیار متنوع است. با این وجود موضوع مشترک تمام تحقیقات این شاخه، ساختن رابط‌های بهتر و ارزیابی تجربی کارآمدی آن‌هاست. زمینه‌های تحقیقاتی در مورد رابطۀ انسان و رایانه شامل مواردی چون بهبود استفاده از رایانه برای افراد معلول، آسان‌ترکردن استفاده از برنامه‌ها، ساختن وسایل ورودی و خروجی سه بعدی برای کارهای واقعیت مجازی، بهبود قابلیت تشخیص دست خط و تشخیص گفتار در رایانه‌هاست. علم رایانه همچون سایر حوزه‌های دانش با علوم دیگر در ارتباط است. علم رایانه از بطن ریاضیات و مهندسی برق زاده شد. به‌همین خاطر ارتباط نزدیکی با این دو حوزه دارد. تحقیقات هوش مصنوعی با علوم روانشناسی، فیزیولوژی عصبی و زبان‌شناسی مرتبط است. دانشمندان رباتیک نیز برای طراحی ربا‌ت‌های جدید از دستاوردهای مهندسین مکانیک و فیزیولوژیست‌ها بهره می‌گیرند. علاوه‌بر این علم رایانه تقریباً با تمام حوزه‌های دیگر علوم نیز ارتباط غیرمستقیم دارد.