Come funzionano i mini PC

Negli anni '40, l'Università della Pennsylvania costruì l'Electronic Numerical Integrator and Computer, meglio noto come ENIAC. Era uno dei primi computer elettronici generici ed era un mostro. Pesava circa 30 tonnellate (27,2 tonnellate), con mezzo milione di connessioni cablate e migliaia di tubi a vuoto che formavano i circuiti [fonte: Avery ].

Salta di qualche decennio fino agli anni '70 e alla nascita del personal computer. Anni di duro lavoro da parte degli ingegneri informatici ci hanno permesso di sfruttare la potenza di un computer dalla scrivania di casa. Quei primi personal computer erano primitivi per gli standard odierni: i primi potevano memorizzare informazioni solo su dischi esterni o nastri magnetici.

Negli anni '80, abbiamo visto i primi computer portatili sugli scaffali dei negozi. Questi non erano gli eleganti computer portatili a cui siamo abituati a portarci dietro oggi. Erano goffi, pesanti e avevano funzionalità limitate. Nel tempo, questi dispositivi diventerebbero più potenti e tuttavia più leggeri e meno ingombranti.

Oggi puoi portare uno smartphone con più potenza di calcolo di ENIAC. Anche i PC desktop si sono ridotti negli anni. Sebbene sia ancora possibile trovare PC tower progettati per applicazioni di fascia alta, molti computer sono solo leggermente più grandi di un telefono cellulare. E puoi persino trovare computer nel fattore di forma di una chiavetta USB.

In questo articolo, daremo un'occhiata ai piccoli computer che sono un grosso problema. Questi dispositivi possono avere le dimensioni di un circuito stampato o anche più piccoli. Come possono gli ingegneri imballare un computer completo su qualcosa di così piccolo?

1. Il grosso problema di diventare più piccoli
2. L'anatomia di un mini PC
3. Quello che non troverai
4. Perchè noi possiamo!
5. Nota dell'autore

Per capire come un PC può adattarsi a qualcosa di piccolo come una chiavetta USB, dobbiamo guardare la storia della miniaturizzazione nell'industria dei computer. Uno degli sviluppi più importanti per i computer - e l'elettronica in generale - avvenne in un laboratorio nel 1947.

Fu allora che John Bardeen, William Shockley e Walter Bratain crearono il primo transistor. Hanno lavorato per i Bell Laboratories e hanno sperimentato i cristalli di germanio, uno dei primi materiali semiconduttori in uso verso la fine della seconda guerra mondiale. Brattain ha avvolto una sottile striscia d'oro attorno alla punta di un pezzo di plastica triangolare, lasciando uno spazio vuoto proprio sulla punta della punta. Ha sospeso il triangolo di plastica in modo che entrasse a malapena in contatto con il cristallo di germanio.

Brattain scoprì che se avesse applicato una tensione su un lato della striscia d'oro, sarebbe uscita dall'altro lato come una corrente amplificata. Sebbene questo primo transistor non fosse un componente pratico per i dispositivi elettronici, aprì la strada alla sostituzione del tubo a vuoto. Poiché i tubi a vuoto sono grandi ed emettono molto calore, questo ha aperto nuove opportunità per la progettazione di computer.

Nel corso di diversi anni, gli ingegneri hanno perfezionato il design del transistor. Alla fine, sono stati in grado di miniaturizzare i transistor in modo che potessero adattarsi a un piccolo chip di materiale semiconduttore, che in un certo senso funge da conduttore e in altri modi da isolante.

Poi, nel 1965, un uomo di nome Gordon Moore fece un'osservazione che sarebbe diventata una sorta di profezia che si autoavvera. Ha notato che nell'arco di un certo periodo di tempo - a seconda di chi lo chiedi e quando, il periodo varia tra 18 e 24 mesi - i miglioramenti nella tecnologia e nei processi di produzione consentono il numero di componenti discreti su un pollice quadrato (6,5 centimetri quadrati) di fetta di silicio a raddoppiare. Ha visto che le aziende che progettavano chip avrebbero trovato nuovi modi per creare componenti più piccoli e quindi ottimizzare il processo di produzione in modo che avesse più senso dal punto di vista finanziario costruire chip più potenti. Oggi chiamiamo questa osservazione la legge di Moore.

Un modo per interpretare la legge di Moore è dire che i processori dei computer raddoppiano la potenza di elaborazione ogni 18 mesi circa. Un altro modo è dire che alla fine di un arco di tempo di 18 mesi, gli ingegneri scopriranno il modo di stipare il doppio dei transistor su un wafer di silicio rispetto a quando hanno iniziato. Ancora un altro modo è dire che la dimensione dei componenti discreti sui processori diminuisce notevolmente ogni 18 mesi.

Ciò significa che non solo i nostri computer stanno diventando più potenti, molto più potenti dei mostri delle dimensioni di un edificio dei primi tempi dell'informatica, ma stanno anche diventando più piccoli. E se sei disposto a sacrificare alcune funzionalità per motivi di dimensioni, puoi diventare davvero molto piccolo.

Ci sono alcune funzionalità di cui ogni computer ha bisogno per funzionare. In primo luogo, i computer hanno bisogno di energia. La vera base dell'informatica sta nell'incanalare gli elettroni in modo che fluiscano attraverso i circuiti. Facciamo affidamento su cavi di alimentazione e batterie per normali PC. Ma un mini PC potrebbe non avere una batteria integrata o un posto dove collegare un cavo di alimentazione. Invece, può assorbire energia tramite una connessione USB. L'interfaccia USB consente il trasferimento di dati e alimentazione. Se il mini PC ha la forma di una chiavetta USB, collegare il computer a un display alimentato o a un hub USB potrebbe fornire l'energia necessaria al computer per funzionare.

Un computer ha bisogno di un processore . Il compito del processore è prendere i dati ed eseguire operazioni sui dati per ottenere un risultato. Il risultato potrebbe essere qualsiasi cosa, dalla visualizzazione di un'immagine su uno schermo alla simulazione di una fisica complessa. I processori moderni possono avere più core, il che significa che il processore può lavorare su più di un set di operazioni alla volta. Con alcuni tipi di problemi con il computer, ciò riduce i tempi di elaborazione. Molti mini PC si basano su processori avanzati basati su microprocessore per computer (ARM) con set di istruzioni ridotte, che tendono ad essere piccoli ed efficienti dal punto di vista energetico, emettendo meno calore rispetto ai processori più potenti.

Un computer ha anche bisogno di memoria per archiviare i dati. Il processore può richiamare i dati archiviati nella memoria ed eseguire operazioni su di essi. Ci sono due grandi categorie di memoria. La memoria di sola lettura (ROM) è inalterabile e non volatile. Ciò significa che non è possibile modificare ciò che è memorizzato nella ROM e le informazioni non scompaiono anche se il computer perde energia. La ROM in un computer in genere memorizza programmi a livello di sistema come il BIOS (Basic Input/Output System) , che fornisce l'insieme di istruzioni necessarie per l'avvio di un computer.

L'altro tipo di memoria su cui si basa un computer è chiamato memoria ad accesso casuale (RAM) . La RAM di un computer memorizza i dati applicando piccole cariche elettriche a una serie di celle di memoria. Le informazioni all'interno della RAM esistono solo finché il processore ne ha bisogno: la RAM può essere riutilizzata in base alle esigenze del processore.

Il mini PC necessita anche di un supporto di archiviazione in grado di contenere informazioni come il sistema operativo del computer. La memoria flash - memoria non volatile che si presenta sotto forma di circuito integrato - occupa poco spazio e non ha parti mobili.

Per fare più di una serie ristretta di attività, un computer ha bisogno di un sistema operativo. Il compito del sistema operativo è fungere da piattaforma per altri programmi e allocare le risorse fisiche del computer a tali programmi.

Infine, il PC necessita di una sorta di interfaccia fisica che consenta di collegarlo ad altri dispositivi come display, tastiere e altre periferiche. Alcuni mini PC si basano su connessioni USB. Altri possono incorporare standard come HDMI. Attraverso queste porte, il computer può comunicare con altri dispositivi. Alcuni hanno più porte: una versione del computer Raspberry Pi ha due porte USB, una porta Ethernet, un'uscita video RCA, un jack audio e una porta HDMI.

Per stipare un intero computer su un circuito stampato o in una chiavetta USB, devi rinunciare ad alcune funzionalità. Uno di questi è un sistema di raffreddamento. Un circuito stampato o una chiavetta USB non può ospitare una ventola o un impianto di raffreddamento ad acqua. E questo può essere un problema: l'informatica genera calore. Questo perché l'informatica si basa sull'elettricità e i nostri metodi per sfruttare l'elettricità non sono perfetti. Perdiamo sempre un po' di energia sotto forma di calore: i cavi e le connessioni si riscaldano quando l'elettricità scorre attraverso di essi. Con troppo calore, un sistema può guastarsi: i percorsi si espandono, le connessioni si interrompono e il computer smette di funzionare.

Questo è uno dei motivi per cui la maggior parte di questi computer utilizza processori basati su ARM. Un processore basato su ARM è l'ideale per piccoli dispositivi mobili. Sono piccoli ed efficienti. Potrebbero non essere all'altezza delle velocità di elaborazione di una CPU all'avanguardia , ma possono comunque offrire un pugno di dati.

Molti di questi piccoli PC mancano anche di un orologio in tempo reale (RTC) . L'RTC è il dispositivo di cronometraggio del computer che continua a funzionare anche dopo lo spegnimento. Ecco perché l'orologio del tuo computer tiene l'ora indipendentemente dal fatto che l'intero computer sia acceso o meno. L'RTC riceve alimentazione da una batteria dedicata. Ma mentre gli ingegneri hanno ridotto le dimensioni di componenti come memoria e processori, la tecnologia delle batterie non ha tenuto il passo. Una batteria aggiungerebbe più volume e calore al sistema, quindi un mini PC potrebbe non includerne uno.

Forse gli elementi mancanti più evidenti di un mini PC sono le interfacce fisiche su cui facciamo affidamento per inserire e ricevere dati da un computer. Ciò include un display e un'interfaccia come una tastiera, un mouse, un track pad o un touch screen. Alcuni mini PC supportano lo standard Bluetooth, consentendo di utilizzare le periferiche Bluetooth. In caso contrario, potrebbe essere necessario un hub USB per collegare gli accessori a un mini PC.

Tutto nelle Carte

Anziché includere spazio di archiviazione integrato, alcuni mini PC potrebbero richiedere di fornire un sistema operativo su una scheda Secure Digital (SD).

Possiamo stipare tutti i componenti più importanti di un computer in un fattore di forma ridotto, ma perché qualcuno dovrebbe volerlo fare?

Uno dei motivi è produrre computer a basso costo. Poiché questi PC sono ridotti ai componenti minimi necessari per avere un computer funzionante, tendono ad essere poco costosi. Alcuni, come il Raspberry Pi, non hanno nemmeno una custodia o una copertura protettiva. I prezzi più bassi danno a persone e organizzazioni che normalmente non potrebbero permettersi un computer la possibilità di acquistarne uno.

La comodità è un altro fattore. Questi computer sono estremamente portatili. Anche se potrebbero non avere molto spazio di archiviazione integrato, l'abbinamento di un mini PC con servizi Web e opzioni di archiviazione cloud può renderlo una macchina funzionale. I giocatori non si affretteranno ad acquistarli e chiunque abbia bisogno di utilizzare software affamato di risorse vorrà ignorarli, ma per semplici attività di elaborazione potrebbero essere la scelta perfetta.

Alcuni progettisti di mini PC hanno progettato le loro macchine con l'obiettivo di promuovere l'istruzione. Nel tempo, i computer sono diventati più complessi e i sistemi operativi più sofisticati. I sistemi operativi che si basano su un'interfaccia utente grafica (GUI) nascondono efficacemente tutta l'elaborazione dietro la grafica. Ma con PC come il Raspberry Pi, tutta quella complessità è scomparsa.

Ciò significa che gli studenti hanno l'opportunità di imparare come funziona la programmazione dal livello fisico sul circuito stampato al regno virtuale dei linguaggi di programmazione. Il basso costo del Raspberry Pi e di computer simili offre alle scuole e ad altre istituzioni di apprendimento la possibilità di fornire agli studenti un computer funzionante.

La tendenza alla miniaturizzazione non accenna a fermarsi. In un altro decennio, il telefono che porti con te potrebbe far vergognare i PC domestici più veloci di oggi. E chi lo sa? Forse per allora tutti i computer saranno abbastanza piccoli da infilarti in tasca.

Ho adorato l'idea alla base del computer Raspberry Pi non appena ne ho sentito parlare. Una macchina a basso costo e senza fronzoli progettata per incoraggiare gli studenti a imparare a programmare è geniale. Poi ho appreso di altri piccoli computer come Cotton Candy di FXI Technologies o computer Rikomagic di Aliexpress. Ora possiamo inserire dozzine di componenti, inclusi chip WiFi e Bluetooth, su un piccolo circuito stampato insieme ai componenti di base di un computer. Spero che questo significhi che più persone avranno accesso ai computer di base e non vedo l'ora di vedere cosa verrà dopo.

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Fonti