В 1940-х годах Пенсильванский университет построил электронный числовой интегратор и компьютер, более известный как ENIAC. Это был один из первых электронных компьютеров общего назначения, и это был настоящий монстр. Он весил около 30 тонн (27,2 метрических тонны) с полумиллионом проводных соединений и тысячами электронных ламп, образующих цепи.
Перенесемся на несколько десятилетий вперед, в 1970-е годы, когда появился персональный компьютер. Годы напряженной работы со стороны компьютерных инженеров позволили нам использовать мощность компьютера с домашнего стола. Те ранние персональные компьютеры были примитивны по сегодняшним меркам - первые могли хранить информацию только на внешних дисках или магнитных лентах.
В 1980-х годах мы увидели, как первые портативные компьютеры появились на прилавках магазинов. Это были не элегантные портативные компьютеры, которые мы привыкли таскать с собой сегодня. Они были громоздкими, тяжелыми и имели ограниченную функциональность. Со временем эти устройства станут более мощными, но при этом легче и менее громоздкими.
Сегодня вы можете носить с собой смартфон с большей вычислительной мощностью, чем у ENIAC. Даже настольные ПК с годами уменьшились в размерах. Хотя вы все еще можете найти компьютеры в корпусе Tower, предназначенные для высокопроизводительных приложений, многие компьютеры лишь немного больше, чем мобильный телефон. И даже можно найти компьютеры в форм-факторе флешки.
В этой статье мы рассмотрим большие компьютеры. Эти устройства могут быть размером с печатную плату или даже меньше. Как инженеры могут упаковать полноценный компьютер в нечто такое маленькое?
Большое дело о том, как стать меньше
Чтобы понять, как ПК может поместиться на таком маленьком устройстве, как USB-накопитель, нам нужно взглянуть на историю миниатюризации в компьютерной индустрии. Одна из самых важных разработок для компьютеров и электроники в целом произошла в лаборатории в 1947 году.
Именно тогда Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн создали первый транзистор. Они работали в Bell Laboratories и экспериментировали с кристаллами германия, одним из первых полупроводниковых материалов, использовавшихся в конце Второй мировой войны. Браттейн обернул тонкую золотую полоску вокруг острия треугольного кусочка пластика, оставив зазор прямо на кончике острия. Он подвесил пластиковый треугольник так, что он едва касался германиевого кристалла.
Браттейн обнаружил, что если он приложит напряжение к одной стороне золотой полоски, оно выйдет с другой стороны в виде усиленного тока. Хотя этот ранний транзистор не был практичным компонентом электронных устройств, он проложил путь к замене электронных ламп. Поскольку вакуумные трубки большие и выделяют много тепла, это открыло новые возможности для компьютерных разработок.
В течение нескольких лет инженеры дорабатывали конструкцию транзистора. В конце концов, они смогли миниатюризировать транзисторы, чтобы они могли поместиться на небольшом чипе изполупроводникового материала, который в некоторых отношениях действует как проводник, а в других - как изолятор.
Затем, в 1965 году, человек по имени Гордон Мур сделал наблюдение, которое стало чем-то вроде самосбывающегося пророчества. Он отметил, что в течение определенного промежутка времени - в зависимости от того, кого вы спросите и когда, период колеблется от 18 до 24 месяцев - улучшения в технологии и производственных процессах позволяют увеличить количество дискретных компонентов на квадратный дюйм (6,5 квадратных сантиметра).) кремниевой пластины в два раза. Он видел, что компании, разрабатывающие микросхемы, найдут новые способы создания более мелких компонентов, а затем оптимизируют производственный процесс, чтобы с финансовой точки зрения было более целесообразно создавать более мощные микросхемы. Сегодня мы называем это наблюдение законом Мура.
Одним из способов толкования закона Мура является утверждение, что вычислительная мощность компьютерных процессоров удваивается каждые 18 месяцев или около того. Другой способ - сказать, что в конце любого 18-месячного промежутка времени инженеры найдут способы втиснуть в кремниевую пластину в два раза больше транзисторов, чем в начале. Еще один способ - сказать, что размер дискретных компонентов в процессорах резко уменьшается каждые 18 месяцев.
Это означает, что наши компьютеры не только становятся более мощными - намного более мощными, чем монстры размером с здание из первых дней вычислений, - но они также становятся меньше. И если вы готовы пожертвовать несколькими функциями ради размера, вы можете получить действительно очень маленький.
Анатомия мини-ПК
Есть определенные функции, необходимые каждому компьютеру для работы. Во-первых, компьютерам нужна мощность. Сама основа вычислений заключается в том, чтобы направлять электроны по цепям. Мы полагаемся на силовые кабели и батареи для обычных ПК. Но у мини-ПК может не быть встроенной батареи или места для подключения шнура питания. Вместо этого он может получать питание через USB-соединение. Интерфейс USB позволяет передавать данные и питание. Если мини-ПК выполнен в виде USB-накопителя, подключение компьютера к питаемому дисплею или USB-концентратору может обеспечить питание, необходимое компьютеру для работы.
Компьютеру нуженпроцессорРабота процессора состоит в том, чтобы принимать данные и выполнять над ними операции для получения результата. Результатом может быть что угодно, от отображения изображения на экране до имитации сложной физики. Современные процессоры могут иметь несколько ядер, что означает, что процессор может выполнять более одного набора операций одновременно. При определенных типах компьютерных проблем это сокращает время обработки. Многие мини-ПК основаны на усовершенствованных компьютерных микропроцессорах с сокращенным набором команд(ARM), которые, как правило, имеют небольшие размеры и энергоэффективны, выделяя меньше тепла, чем более мощные процессоры.
Компьютеру также нужна память для хранения данных. Процессор может обращаться к данным, хранящимся в памяти, и выполнять над ними операции. Есть две основные категории памяти. Постоянная память (ПЗУ)является неизменной и энергонезависимой. Это означает, что вы не можете изменить то, что хранится в ПЗУ, и информация не исчезнет, даже если компьютер отключится. В ПЗУ компьютера обычно хранятся программы системного уровня, такие как базовая система ввода/вывода(BIOS), которая предоставляет набор инструкций, необходимых компьютеру для загрузки.
Другой тип памяти, на который полагается компьютер, называетсяоперативной памятью (ОЗУ) ОЗУ компьютера хранит данные, прикладывая небольшие электрические заряды к ряду ячеек памяти. Информация в оперативной памяти существует только до тех пор, пока она нужна процессору - оперативная память может быть переназначена в соответствии с потребностями процессора.
Мини-ПК также нуждается в каком-то носителе данных, который может хранить информацию, такую как операционная система компьютера. Flash memory - энергонезависимая память в виде интегральной схемы - занимает мало места и не имеет движущихся частей.
Чтобы выполнять больше, чем узкий набор задач, компьютеру нужна операционная система. Работа операционной системы состоит в том, чтобы служить платформой для других программ и выделять физические ресурсы компьютера для этих программ.
Наконец, компьютеру нужен какой-то физический интерфейс, который позволит вам подключать его к другим устройствам, таким как дисплеи, клавиатуры и другие периферийные устройства. Некоторые мини-ПК полагаются на USB-соединения. Другие могут включать такие стандарты, как HDMI. Через эти порты компьютер может взаимодействовать с другими устройствами. Некоторые из них имеют несколько портов - одна версия компьютера Raspberry Pi имеет два порта USB, порт Ethernet, видеовыход RCA, аудиоразъем и порт HDMI.
Что вы не найдете
Чтобы втиснуть весь компьютер на печатную плату или на флэш-накопитель, вам придется отказаться от нескольких функций. Одним из них является система охлаждения. Печатная плата или флэш-накопитель не могут вместить вентилятор или установку водяного охлаждения. И это может быть проблемой - компьютеры выделяют тепло. Это потому, что вычисления зависят от электричества, а наши методы использования электричества не идеальны. Мы всегда теряем часть энергии в виде тепла - провода и соединения нагреваются, когда по ним проходит электричество. При слишком сильном нагреве система может выйти из строя - каналы расширяются, связи разрываются, и компьютер перестает работать.
Это одна из причин, по которой большинство этих компьютеров используют процессоры на базе ARM. Процессор на базе ARM идеально подходит для небольших мобильных устройств. Они маленькие и эффективные. Они могут не соответствовать скорости обработки современного процессора, но они все же могут упаковать>Потому что мы можем
Мы можем втиснуть все самые важные компоненты компьютера в небольшой форм-фактор, но зачем кому-то это делать?
Одной из причин является производство недорогих компьютеров. Поскольку эти ПК урезаны до минимума компонентов, необходимых для работы компьютера, они, как правило, недороги. У некоторых, таких как Raspberry Pi, даже нет чехла или защитного покрытия. Более низкие цены дают людям и организациям, которые обычно не могут позволить себе компьютер, возможность купить его.
Удобство - еще один фактор. Эти компьютеры чрезвычайно портативны. Хотя у них может быть не так много встроенной памяти, сопряжение мини-ПК с веб-сервисами и опциями облачного хранилища может сделать его исправной машиной. Геймеры не будут спешить их покупать, и любой, кому нужно использовать ресурсоемкое программное обеспечение, захочет отказаться от них, но для простых вычислительных задач они могут быть идеальным выбором.
Некоторые дизайнеры мини-ПК разрабатывали свои машины с целью продвижения образования. Со временем компьютеры стали более сложными, а операционные системы - более сложными. Операционные системы, основанные на графическом пользовательском интерфейсе (GUI), эффективно скрывают всю обработку за графикой. Но с такими ПК, как Raspberry Pi, вся эта сложность исчезла.
Это означает, что у студентов есть возможность узнать, как работает программирование, начиная с физического уровня на печатной плате и заканчивая виртуальным миром языков программирования. Низкая стоимость Raspberry Pi и аналогичных компьютеров дает школам и другим учебным заведениям возможность предоставить учащимся рабочий компьютер.
Тенденция миниатюризации не собирается останавливаться. Через десять лет телефон, который вы носите с собой, может затмить самые быстрые домашние компьютеры сегодняшнего дня. А кто знает? Возможно, к тому времени все компьютеры станут достаточно маленькими, чтобы поместиться в вашем кармане.
Примечание автора
Мне понравилась идея компьютера Raspberry Pi, как только я о нем услышал. Недорогая машина без излишеств, предназначенная для поощрения студентов к изучению программирования, просто великолепна. Затем я узнал о других крошечных компьютерах, таких как Cotton Candy от FXI Technologies или компьютеры Rikomagic от Aliexpress. Теперь мы можем разместить десятки компонентов, включая чипы Wi-Fi и Bluetooth, на небольшой печатной плате вместе с основными компонентами компьютера. Я надеюсь, что это означает, что больше людей получат доступ к основным компьютерам, и мне не терпится увидеть, что будет дальше.
Часто задаваемые вопросы
Каковы особенности мини-компьютеров?
Размер. Мини-компьютеры намного меньше стандартных настольных компьютеров. Вычислительная мощность. Мини-компьютеры обычно имеют меньшую вычислительную мощность, чем настольные компьютеры. Стоимость. Мини-компьютеры обычно дешевле настольных компьютеров.
Как работает мини-компьютер?
Мини-компьютер работает так же, как и обычный компьютер, но в меньшем масштабе. Мини-компьютеры обычно имеют меньшую вычислительную мощность и память, чем обычные компьютеры, но все же могут выполнять большинство основных задач.