So funktionieren Mini-PCs

In den 1940er Jahren baute die University of Pennsylvania den Electronic Numerical Integrator and Computer, besser bekannt als ENIAC. Es war einer der frühesten elektronischen Allzweckcomputer und ein Monster. Es wog etwa 30 Tonnen (27,2 Tonnen), mit einer halben Million festverdrahteter Verbindungen und Tausenden von Vakuumröhren, die die Schaltkreise bildeten [Quelle: Avery ].

Gehen Sie ein paar Jahrzehnte weiter in die 1970er und die Geburt des Personal Computers. Jahrelange harte Arbeit von Computeringenieuren ermöglichte es uns, die Leistung eines Computers von einem Heimarbeitsplatz aus zu nutzen. Diese frühen Personal Computer waren nach heutigen Maßstäben primitiv – die frühesten konnten Informationen nur auf externen Festplatten oder Magnetbändern speichern.

In den 1980er Jahren kamen die ersten Laptops in die Verkaufsregale. Dies waren nicht die schlanken, tragbaren Computer, die wir heute gewohnt sind, herumzuschleppen. Sie waren klobig, schwer und hatten eine eingeschränkte Funktionalität. Mit der Zeit würden diese Geräte leistungsstärker und dennoch leichter und handlicher werden.

Heute können Sie ein Smartphone mit mehr Rechenleistung als ENIAC mit sich führen. Auch Desktop-PCs sind im Laufe der Jahre geschrumpft. Während man immer noch Tower-PCs findet, die für High-End-Anwendungen entwickelt wurden, sind viele Computer nur geringfügig größer als ein Mobiltelefon. Und Sie können sogar Computer im Formfaktor eines USB-Sticks finden.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf kleine Computer, die eine große Sache sind. Diese Geräte können die Größe einer Leiterplatte oder sogar noch kleiner haben. Wie können Ingenieure einen kompletten Computer auf etwas so Kleines packen?

1. Die große Sache, kleiner zu werden
2. Die Anatomie eines Mini-PCs
3. Was Sie nicht finden werden
4. Weil wir können!
5. Anmerkung des Verfassers

Um zu verstehen, wie ein PC auf etwas so Kleines wie einen USB -Stick passen kann, müssen wir uns die Geschichte der Miniaturisierung in der Computerindustrie ansehen. Eine der wichtigsten Entwicklungen für Computer – und Elektronik im Allgemeinen – geschah 1947 in einem Labor.

Damals erschufen John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain den ersten Transistor. Sie arbeiteten für Bell Laboratories und experimentierten mit Germaniumkristallen, einem frühen Halbleitermaterial, das gegen Ende des Zweiten Weltkriegs verwendet wurde. Brattain wickelte einen dünnen Goldstreifen um die Spitze eines dreieckigen Stücks Plastik und ließ genau an der Spitze der Spitze eine Lücke. Er hängte das Plastikdreieck so auf, dass es den Germaniumkristall gerade so berührte.

Brattain entdeckte, dass, wenn er eine Spannung an eine Seite des Goldstreifens anlegte, diese als verstärkter Strom auf der anderen Seite herauskommen würde. Obwohl dieser frühe Transistor keine praktische Komponente für elektronische Geräte war, ebnete er den Weg zum Ersatz der Vakuumröhre. Da Vakuumröhren groß sind und viel Wärme abgeben, eröffnete dies neue Möglichkeiten für Computerdesigns.

Im Laufe mehrerer Jahre verfeinerten Ingenieure das Design des Transistors. Schließlich gelang es ihnen, Transistoren so zu miniaturisieren, dass sie auf einen kleinen Chip aus Halbleitermaterial passen – der in gewisser Weise als Leiter und in anderer Weise als Isolator fungiert.

Dann, im Jahr 1965, machte ein Mann namens Gordon Moore eine Beobachtung, die zu einer Art sich selbst erfüllender Prophezeiung werden sollte. Er stellte fest, dass innerhalb einer bestimmten Zeitspanne – je nachdem, wen und wann man fragt, der Zeitraum zwischen 18 und 24 Monaten liegt – Verbesserungen in Technologie und Herstellungsprozessen es ermöglichen, die Anzahl diskreter Komponenten auf einem Quadratzoll (6,5 Quadratzentimeter) des Siliziumwafers zu verdoppeln. Er sah, dass Unternehmen, die Chips entwickelten, neue Wege finden würden, um kleinere Komponenten herzustellen und dann den Herstellungsprozess so zu optimieren, dass es finanziell sinnvoller wäre, leistungsfähigere Chips zu bauen. Heute nennen wir diese Beobachtung Mooresches Gesetz.

Eine Möglichkeit, das Mooresche Gesetz zu interpretieren, besteht darin, zu sagen, dass sich die Rechenleistung von Computerprozessoren etwa alle 18 Monate verdoppelt. Oder man sagt, dass die Ingenieure am Ende jeder 18-monatigen Zeitspanne Möglichkeiten entdecken werden, doppelt so viele Transistoren auf einen Siliziumwafer zu stopfen wie zu Beginn. Noch eine andere Möglichkeit ist zu sagen, dass die Größe diskreter Komponenten auf Prozessoren alle 18 Monate dramatisch kleiner wird.

Das bedeutet, dass unsere Computer nicht nur leistungsstärker werden – weitaus leistungsstärker als die gebäudegroßen Monster aus den frühen Tagen der Computertechnik –, sondern sie werden auch kleiner. Und wenn Sie bereit sind, der Größe zuliebe ein paar Funktionen zu opfern, können Sie tatsächlich sehr klein werden.

Es gibt bestimmte Funktionen, die jeder Computer benötigt, um zu funktionieren. Erstens brauchen Computer Strom. Die eigentliche Grundlage des Rechnens besteht darin, Elektronen so zu kanalisieren, dass sie durch Schaltkreise fließen. Wir setzen auf Stromkabel und Akkus für normale PCs. Aber ein Mini-PC hat möglicherweise keinen integrierten Akku oder einen Platz zum Anschließen eines Netzkabels. Stattdessen kann es über eine USB-Verbindung mit Strom versorgt werden. Die USB-Schnittstelle ermöglicht die Übertragung von Daten und Strom. Wenn der Mini-PC in Form eines USB-Sticks vorliegt, könnte das Anschließen des Computers an ein mit Strom versorgtes Display oder einen USB-Hub die für den Betrieb des Computers erforderliche Leistung liefern.

Ein Computer braucht einen Prozessor . Die Aufgabe des Prozessors besteht darin, Daten zu nehmen und Operationen an Daten durchzuführen, um ein Ergebnis zu erhalten. Dieses Ergebnis kann alles sein, von der Anzeige eines Bildes auf einem Bildschirm bis hin zur Simulation komplexer Physik. Moderne Prozessoren können mehrere Kerne haben, was bedeutet, dass der Prozessor an mehr als einem Satz von Operationen gleichzeitig arbeiten kann. Bei bestimmten Arten von Computerproblemen verkürzt dies die Verarbeitungszeiten. Viele Mini-PCs basieren auf fortschrittlichen Computer-Mikroprozessoren (ARM) mit reduziertem Befehlssatz, die in der Regel klein und energieeffizient sind und weniger Wärme abgeben als leistungsstärkere Prozessoren.

Ein Computer benötigt auch Speicher, um Daten zu speichern. Der Prozessor kann im Speicher gespeicherte Daten abrufen und Operationen darauf ausführen. Es gibt zwei Hauptkategorien des Gedächtnisses. Nur-Lese-Speicher (ROM) ist unveränderlich und nichtflüchtig. Das bedeutet, dass Sie nicht ändern können, was im ROM gespeichert ist, und die Informationen nicht verschwinden, selbst wenn der Computer die Stromversorgung verliert. Das ROM in einem Computer speichert normalerweise Programme auf Systemebene wie das Basic Input/Output System (BIOS) , das den Satz von Anweisungen bereitstellt, die ein Computer zum Booten benötigt.

Der andere Speichertyp, auf den sich ein Computer stützt, wird als Arbeitsspeicher (RAM) bezeichnet . Das RAM eines Computers speichert Daten, indem es kleine elektrische Ladungen an eine Reihe von Speicherzellen anlegt. Die Informationen im RAM existieren nur so lange, wie der Prozessor sie benötigt – RAM kann entsprechend den Anforderungen des Prozessors umfunktioniert werden.

Der Mini-PC benötigt auch ein Speichermedium, das Informationen wie das Betriebssystem des Computers enthalten kann. Flash-Speicher – nichtflüchtiger Speicher in Form einer integrierten Schaltung – benötigt wenig Platz und hat keine beweglichen Teile.

Um mehr als nur eine begrenzte Anzahl von Aufgaben zu erledigen, benötigt ein Computer ein Betriebssystem. Die Aufgabe des Betriebssystems besteht darin, als Plattform für andere Programme zu fungieren und diesen Programmen die physischen Ressourcen des Computers zuzuweisen.

Schließlich benötigt der PC eine Art physische Schnittstelle, die es Ihnen ermöglicht, ihn mit anderen Geräten wie Displays, Tastaturen und anderen Peripheriegeräten zu verbinden. Einige Mini-PCs sind auf USB-Verbindungen angewiesen. Andere können Standards wie HDMI enthalten. Über diese Ports kann der Computer mit anderen Geräten kommunizieren. Einige haben mehrere Anschlüsse – eine Version des Raspberry Pi-Computers hat zwei USB-Anschlüsse, einen Ethernet-Anschluss, einen RCA-Videoausgang, eine Audiobuchse und einen HDMI-Anschluss.

Um einen ganzen Computer auf eine Platine oder in einen USB-Stick zu stopfen, müssen Sie auf einige Funktionen verzichten. Eines davon ist ein Kühlsystem. Eine Platine oder ein USB-Stick kann keinen Lüfter oder eine Wasserkühlung aufnehmen. Und das kann ein Problem sein – Computer erzeugen Wärme. Das liegt daran, dass Computer auf Elektrizität angewiesen sind und unsere Methoden zur Nutzung von Elektrizität nicht perfekt sind. Wir verlieren immer etwas Energie in Form von Wärme – Drähte und Verbindungen erwärmen sich, wenn Strom durch sie fließt. Bei zu viel Hitze kann ein System zusammenbrechen – Wege erweitern sich, Verbindungen werden unterbrochen und der Computer funktioniert nicht mehr.

Das ist einer der Gründe, warum die meisten dieser Computer ARM-basierte Prozessoren verwenden. Ein ARM-basierter Prozessor ist ideal für kleine, mobile Geräte. Sie sind klein und effizient. Sie können zwar nicht mit der Verarbeitungsgeschwindigkeit einer hochmodernen CPU mithalten , aber sie können immer noch einen datenverarbeitenden Schlag vollbringen.

Vielen dieser kleinen PCs fehlt auch eine Echtzeituhr (RTC) . Die RTC ist das Zeitmessgerät auf Ihrem Computer, das auch nach dem Ausschalten weiterläuft. Aus diesem Grund hält die Uhr Ihres Computers die Zeit, unabhängig davon, ob der gesamte Computer eingeschaltet ist oder nicht. Die RTC wird von einer dedizierten Batterie mit Strom versorgt. Aber während Ingenieure die Größe von Komponenten wie Speicher und Prozessoren reduziert haben, hat die Batterietechnologie nicht Schritt gehalten. Eine Batterie würde dem System mehr Masse und Wärme hinzufügen, daher enthält ein Mini-PC möglicherweise keine Batterie.

Die vielleicht offensichtlichsten fehlenden Elemente eines Mini-PCs sind die physischen Schnittstellen, auf die wir uns verlassen, um Daten von einem Computer einzugeben und zu empfangen. Dazu gehören ein Display und eine Schnittstelle wie Tastatur, Maus, Trackpad oder Touchscreen. Einige Mini-PCs unterstützen den Bluetooth-Standard, sodass Sie Bluetooth-Peripheriegeräte verwenden können. Andernfalls benötigen Sie möglicherweise einen USB-Hub, um Ihr Zubehör an einen Mini-PC anzuschließen.

Alles in den Karten

Bei einigen Mini-PCs müssen Sie anstelle des integrierten Speicherplatzes möglicherweise ein Betriebssystem auf einer Secure Digital (SD)-Karte bereitstellen.

Wir können alle wichtigen Komponenten eines Computers in einen kleinen Formfaktor packen, aber warum sollte jemand das tun wollen?

Ein Grund ist die Herstellung kostengünstiger Computer. Da diese PCs auf die minimalen Komponenten reduziert sind, die für einen funktionierenden Computer erforderlich sind, sind sie in der Regel kostengünstig. Einige, wie der Raspberry Pi, haben nicht einmal ein Gehäuse oder eine Schutzhülle. Die niedrigeren Preise geben Menschen und Organisationen, die sich normalerweise keinen Computer leisten könnten, die Möglichkeit, einen zu kaufen.

Bequemlichkeit ist ein weiterer Faktor. Diese Computer sind extrem portabel. Obwohl sie möglicherweise nicht über viel integrierten Speicher verfügen, kann die Kopplung eines Mini-PCs mit Webdiensten und Cloud-Speicheroptionen ihn zu einer wartungsfähigen Maschine machen. Gamer werden sie nicht sofort kaufen, und jeder, der ressourcenhungrige Software verwenden muss, wird auf sie verzichten wollen, aber für einfache Computeraufgaben sind sie möglicherweise die perfekte Wahl.

Einige Mini-PC-Designer haben ihre Maschinen mit dem Ziel entworfen, die Bildung zu fördern. Im Laufe der Zeit sind Computer komplexer geworden und Betriebssysteme immer ausgefeilter. Betriebssysteme , die auf eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) angewiesen sind, verstecken die gesamte Verarbeitung effektiv hinter Grafiken. Aber mit PCs wie dem Raspberry Pi ist all diese Komplexität weg.

Das bedeutet, dass die Schüler die Möglichkeit haben, zu lernen, wie das Programmieren von der physikalischen Schicht auf der Leiterplatte bis zum virtuellen Bereich der Programmiersprachen funktioniert. Die niedrigen Kosten des Raspberry Pi und ähnlicher Computer geben Schulen und anderen Bildungseinrichtungen die Möglichkeit, Schüler mit einem funktionierenden Computer auszustatten.

Der Miniaturisierungstrend ist unaufhaltsam. In einem weiteren Jahrzehnt kann das Telefon, das Sie bei sich tragen, die schnellsten Heim-PCs von heute in den Schatten stellen. Und wer weiß? Vielleicht sind bis dahin alle Computer klein genug, um in die Hosentasche zu passen.

Ich war von der Idee hinter dem Raspberry Pi-Computer begeistert, als ich davon hörte. Eine kostengünstige, schnörkellose Maschine, die entwickelt wurde, um Schüler zum Erlernen des Programmierens zu ermutigen, ist brillant. Dann erfuhr ich von anderen winzigen Computern wie Cotton Candy von FXI Technologies oder Rikomagic-Computern von Aliexpress. Jetzt können wir Dutzende von Komponenten – darunter WiFi- und Bluetooth-Chips – zusammen mit den Grundkomponenten eines Computers auf einer kleinen Leiterplatte unterbringen. Ich hoffe, dass dies bedeutet, dass mehr Menschen Zugang zu einfachen Computern haben werden, und ich kann es kaum erwarten zu sehen, was als nächstes kommt.

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Quellen