ミニPCのしくみ

1940年代に、ペンシルベニア大学は、ENIACとしてよく知られているElectronic Numerical IntegratorandComputerを構築しました。それは最も初期の電子汎用コンピューターの1つであり、モンスターでした。重量は約30トン（27.2メートルトン）で、50万本の有線接続と数千本の真空管が回路を形成しています[出典：エイブリー]。

1970年代とパソコンの誕生までの数十年をスキップしてください。コンピューターエンジニアの長年の努力により、ホームデスクからコンピューターのパワーを活用することができました。これらの初期のパーソナルコンピュータは、今日の基準では原始的でした。初期のコンピュータは、外部ディスクまたは磁気テープにしか情報を保存できませんでした。

1980年代に、最初のラップトップコンピューターが店頭に並ぶのを見ました。これらは、今日私たちが持ち歩くのに慣れている洗練されたポータブルコンピュータではありませんでした。それらは不格好で重く、機能が制限されていました。時間の経過とともに、これらのデバイスはより強力になり、しかも軽量で扱いにくくなります。

今日では、ENIACよりも多くのコンピューティングパワーを備えたスマートフォンを持ち運ぶことができます。デスクトップPCでさえ、何年にもわたって縮小してきました。ハイエンドアプリケーション用に設計されたタワー型PCを見つけることはできますが、多くのコンピューターは携帯電話よりわずかに大きいだけです。また、USBサムドライブのフォームファクターでコンピューターを見つけることもできます。

この記事では、大したことのある小さなコンピューターを見ていきます。これらのデバイスは、回路基板のサイズまたはそれよりも小さい場合があります。エンジニアはどのようにして完全なコンピューターを非常に小さなものに詰め込むことができますか？

コンテンツ

1. 小さくすることについての大したこと
2. ミニPCの構造
3. あなたが見つけられないもの
4. できるから！
5. 著者のメモ

PCがUSBスティックのような小さなものにどのように適合するかを理解するには、コンピューター業界における小型化の歴史を調べる必要があります。コンピューター（および一般的な電子機器）の最も重要な開発の1つは、1947年にラボで発生しました。

ジョン・バーディーン、ウィリアム・ショックレー、ウォルター・ブラッテンが最初のトランジスタを作成したのはそのときです。彼らはベル研究所で働き、第二次世界大戦の終わり近くに使用されていた初期の半導体材料であるゲルマニウム結晶を実験していました。ブラッテンは、三角形のプラスチック片の先端に薄い金の帯を巻き付け、先端に隙間を残しました。彼はプラスチックの三角形を吊るして、ゲルマニウムの結晶とほとんど接触しないようにしました。

ブラッテンは、金の帯の片側に電圧を印加すると、増幅された電流として反対側に電圧が発生することを発見しました。この初期のトランジスタは電子機器の実用的なコンポーネントではありませんでしたが、真空管を交換する道を開きました。真空管は大きく、多くの熱を放出するため、これはコンピューター設計の新しい機会を開きました。

数年の間に、エンジニアはトランジスタの設計を改良しました。最終的に、トランジスタを小型化して、半導体材料の小さなチップに収めることができました。これは、ある意味では導体として、別の意味では絶縁体として機能します。

その後、1965年に、ゴードン・ムーアという男が、自己達成的予言のようなものになるであろう観察を行いました。彼は、一定の期間内に（誰にいつ尋ねるかにもよりますが、期間は18〜24か月の範囲です）、技術と製造プロセスの改善により、1平方インチ（6.5）のディスクリートコンポーネントの数が可能になると述べました。 2倍にするシリコンウェーハの平方センチメートル）。彼は、チップを設計した企業が、より小さなコンポーネントを作成し、製造プロセスを最適化して、より強力なチップを構築することが経済的に理にかなっている新しい方法を見つけるだろうと考えました。今日、私たちはこの観察をムーアの法則と呼んでいます。

ムーアの法則を解釈する1つの方法は、コンピュータプロセッサの処理能力が18か月ごとに2倍になると言うことです。別の言い方をすれば、18か月の期間の終わりに、エンジニアは、開始時の2倍の数のトランジスタをシリコンウェーハに詰め込む方法を発見するということです。さらに別の言い方をすれば、プロセッサ上のディスクリートコンポーネントのサイズは18か月ごとに劇的に小さくなります。

これは、私たちのコンピューターがより強力になっているだけでなく、コンピューティングの初期の建物サイズのモンスターよりもはるかに強力になっているだけでなく、コンピューターも小さくなっていることを意味します。そして、サイズのためにいくつかの機能を犠牲にしても構わないと思っているなら、あなたは確かに非常に小さくすることができます。

すべてのコンピュータが機能するために必要な特定の機能があります。まず、コンピューターには電力が必要です。コンピューティングの基本は、電子をチャネリングして回路を流すことです。通常のPCでは電源ケーブルとバッテリーを使用しています。ただし、ミニPCには、オンボードバッテリーや電源コードを接続する場所がない場合があります。代わりに、USB接続を介して電力を消費する場合があります。USBインターフェースにより、データと電力の転送が可能になります。ミニPCがUSBスティックの形式である場合、コンピューターを電源付きディスプレイまたはUSBハブに接続すると、コンピューターの動作に必要な電力が供給される可能性があります。

コンピュータにはプロセッサが必要です。プロセッサの仕事は、データを取得し、データに対して操作を実行して結果を取得することです。その結果は、画面に画像を表示することから、複雑な物理学をシミュレートすることまで、何でもかまいません。最新のプロセッサは複数のコアを持つことができます。つまり、プロセッサは一度に複数の操作セットで動作できます。特定の種類のコンピューターの問題では、これにより処理時間が短縮されます。多くのミニPCは、高度な縮小命令セットのコンピューターマイクロプロセッサー（ARM）ベースのプロセッサーに依存しています。これらのプロセッサーは、小型でエネルギー効率が高く、より強力なプロセッサーよりも熱を放出しない傾向があります。

コンピュータには、データを保存するためのメモリも必要です。プロセッサは、メモリ内に格納されているデータを呼び出して、そのデータに対して操作を実行できます。メモリには2つの主要なカテゴリがあります。読み取り専用メモリ（ROM）は変更できず、不揮発性です。つまり、ROMに保存されているものを変更することはできず、コンピューターの電源が切れても情報が消えることはありません。コンピュータのROMは通常、基本入出力システム（BIOS）などのシステムレベルのプログラムを格納します。BIOSは、コンピュータが起動するために必要な一連の命令を提供します。

コンピュータが依存するもう1つのタイプのメモリは、ランダムアクセスメモリ（RAM）と呼ばれます。コンピュータのRAMは、一連のメモリセルに小さな電荷を加えることによってデータを保存します。RAM内の情報は、プロセッサが必要とする場合にのみ存在します。RAMは、プロセッサのニーズに応じて再利用できます。

ミニPCには、コンピューターのオペレーティングシステムなどの情報を保持できる記憶媒体も必要です。フラッシュメモリ（集積回路の形で提供される不揮発性メモリ）は、スペースをほとんどとらず、可動部品がありません。

狭い一連のタスク以上のことを行うには、コンピューターにオペレーティングシステムが必要です。オペレーティングシステムの仕事は、他のプログラムのプラットフォームとして機能し、コンピューターの物理リソースをそれらのプログラムに割り当てることです。

最後に、PCには、ディスプレイ、キーボード、その他の周辺機器などの他のデバイスに接続できる、ある種の物理インターフェイスが必要です。一部のミニPCはUSB接続に依存しています。他の人はHDMIのような標準を組み込むかもしれません。これらのポートを介して、コンピューターは他のデバイスと通信できます。一部には複数のポートがあります。1つのバージョンのRaspberryPiコンピューターには、2つのUSBポート、イーサネットポート、RCAビデオ出力、オーディオジャック、およびHDMIポートがあります。

コンピュータ全体を回路基板またはサムドライブに詰め込むには、いくつかの機能を放棄する必要があります。それらの1つは冷却システムです。回路基板またはサムドライブは、ファンまたは水冷リグを収容できません。そして、それは問題になる可能性があります-コンピューティングは熱を発生させます。これは、コンピューティングが電気に依存しており、電気を利用する方法が完全ではないためです。私たちは常に熱の形でいくらかのエネルギーを失います-電気がそれらを通って流れるとき、ワイヤーと接続は熱くなります。熱が多すぎると、システムが故障する可能性があります。経路が拡大し、接続が切断され、コンピューターが動作を停止します。

これが、これらのコンピュータのほとんどがARMベースのプロセッサを使用している理由の1つです。ARMベースのプロセッサは、小型のモバイルデバイスに最適です。それらは小さくて効率的です。最先端のCPUの処理速度までは測定できない場合がありますが、それでもデータ処理のパンチを詰め込むことはできます。

これらの小型PCの多くには、リアルタイムクロック（RTC）もありません。RTCは、電源を切った後も動作し続けるコンピュータの計時デバイスです。そのため、コンピューター全体がオンになっているかどうかに関係なく、コンピューターの時計が時間を計っています。RTCは、専用バッテリーから電力を引き出します。しかし、エンジニアはメモリやプロセッサなどのコンポーネントのサイズを縮小しましたが、バッテリ技術は追いついていないのです。バッテリーはシステムにより多くのかさばりと熱を加えるので、ミニPCにはバッテリーが含まれていない場合があります。

おそらく、ミニPCの最も明らかな欠落している要素は、コンピューターとの間でデータを送受信するために使用する物理インターフェイスです。これには、キーボード、マウス、トラックパッド、タッチスクリーンなどのディスプレイとインターフェイスが含まれます。一部のミニPCはBluetooth標準をサポートしており、Bluetooth周辺機器を使用できます。それ以外の場合は、アクセサリをミニPCに接続するためにUSBハブが必要になる場合があります。

すべてのカード

一部のミニPCでは、オンボードストレージスペースを含めるのではなく、セキュアデジタル（SD）カードでオペレーティングシステムを提供する必要がある場合があります。

コンピューターの最も重要なコンポーネントをすべて小さなフォームファクターに詰め込むことができますが、なぜ誰かがそれをしたいと思うのでしょうか。

1つの理由は、低コストのコンピューターを製造することです。これらのPCは、コンピューターが機能するために必要な最小限のコンポーネントにまで削減されているため、安価になる傾向があります。Raspberry Piのように、ケースや保護カバーさえないものもあります。低価格は、通常はコンピューターを購入する余裕がなかった人々や組織に、コンピューターを購入するオプションを提供します。

利便性も別の要因です。これらのコンピューターは非常にポータブルです。オンボードストレージはそれほど多くないかもしれませんが、ミニPCをWebサービスおよびクラウドストレージオプションとペアリングすると、サービス可能なマシンにすることができます。ゲーマーは急いでそれらを購入することはなく、リソースを大量に消費するソフトウェアを使用する必要がある人は誰でもそれらを渡したいと思うでしょうが、単純なコンピューティングタスクにはそれらが最適な選択かもしれません。

一部のミニPC設計者は、教育を促進することを目的としてマシンを設計しました。時間の経過とともに、コンピューターはより複雑になり、オペレーティングシステムはより洗練されています。グラフィックユーザーインターフェイス（GUI）に依存するオペレーティングシステムは、グラフィックの背後にあるすべての処理を効果的に隠します。しかし、Raspberry PiのようなPCを使用すると、その複雑さはすべてなくなります。

つまり、学生は、回路基板上の物理層からプログラミング言語の仮想領域まで、プログラミングがどのように機能するかを学ぶ機会があります。Raspberry Piや同様のコンピューターは低コストであるため、学校やその他の学習機関は、生徒に実用的なコンピューターを提供する機会を得ることができます。

小型化の傾向は止まる気配がありません。次の10年で、あなたが携帯する電話は、今日の最速の家庭用PCを恥じさせるかもしれません。そして、誰が知っていますか？たぶんそれまでに、すべてのコンピューターはあなたのポケットに滑り込むのに十分小さいでしょう。

Raspberry Piコンピューターの背後にあるアイデアについて聞いた途端、私はそれが気に入りました。学生にプログラミングを学ぶように促すように設計された、低コストで飾り気のないマシンは素晴らしいです。それから私はFXITechnologiesのCottonCandyやAliexpressのRikomagicコンピューターのような他の小さなコンピューターについて学びました。これで、WiFiやBluetoothチップなど、数十のコンポーネントをコンピューターの基本コンポーネントとともに小さな回路基板に取り付けることができます。これにより、より多くの人が基本的なコンピューターにアクセスできるようになり、次に何が起こるかを楽しみにしています。

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