Hardware (15 mins)

Якщо комп'ютер порівняти з фортепіано, то програмне забезпечення, тобто код

виконується на ньому, як музика. А апаратні засоби -це фізичні складові комп'ютера,

так що в даній секції я збираюсь розповісти про ці фізичні складові комп'ютера.

Можливо, одним з найважливіших винаходів двадцятого століття

є транзистор. Це є невелика електронна деталь,

яка може бути використана для побудови багатьох різноманітних пристроїв. Сьогодні

найчастіше транзистори створюються на так званих чіпах. А ось тут є фото чіпа,

яке я знайшов у wikimedia. Чіпи виготовляють на основі невеликого, розміром

з нігтеву пластину, кристала кремнію. Різні електронні компоненти можуть бути

витравлені на кремнії і це дозволяє зробити їх суттєво дешевшими.

Треба відзначити, що, найімовірніше, найбільш широко вживаним компонентом на чіпові

є транзистори. А вже з транзисторів ви можете компонувати різні типи пристроїв.

Таким чином, речі про які я збираюсь розповідати пізніше - процесори, пам'ять і т.д.

всі вони розміщуються на чіпах, подібних до того, що на фото. Такі чіпи ще звуться твердотільними,

що означає - в них немає рухомих частин, ніяких шестерень і коліщат. І я вважаю,

що це робить їх дуже надійними. Крім того, як було сказано вище, виробництво їх доволі дешеве.

І все це є рушійною силою комп'ютерної революції. Потрібно відзначити, що ми тут маємо

справу з хімічним елементом кремній (silicon), який нагадує скло. Його не слід плутати

з желеподібним силіконом, який має інші застосування. Одним з найважливіших факторів

у розвитку кремнієвих технологій є так званий закон Мура.

Він був сформульваний Гордоном Муром, і грунтується на спостереженні за тенденціями

виробництва чіпів з транзисторами на них. Закон проголошує,

що за кожний період, приблизно від 18 до 24 місяців, кількість транзисторів,

які можуть бути розміщені на чіпі, подвоюється. Це можна розуміти двояко.

З одного боку це означає, що коли я буду виготовляти чіп зараз і через рік,

то на такому ж чіпі буде вдвічі більше транзисторів.

В певному сенсі він стає більш потужним. Або, з іншого боку, ми можемо вважати,

що просто транзистори стають все дешевшими і дешевшими. Закон Мура не є

законом природи, як, наприклад, закон гравітації. Це - просто спостереження

за тенденціми виробництва транзисторів, але він справджувався вже на протязі більш як

двадцяти років і, здається, продовжує виконуватись. Саме завдяки закону Мура ми маємо

комп'ютери, які стають все дешевшими і навіть застосовуються в термостатах і мікрохвильових печах.

По суті, це є тенденція подвоєння із закону Мура. Якщо раніше

ми мали комп'ютер, що займав цілу кімнату і коштував мільйони доларів, то зараз

він має розмір кубика цукру і ціну близько долара. І все це є, якщо подумати,

ефектом подвоєння із закону Мура. Зрозуміло, просто одне подвоєння не таке вже й велике.

Проте, якщо маємо десять подвоєнь, то коефіцієнт виростає до тисячі. Це пояснює, як почавши

з розміру кімнати, ви отримуєте розмір кубика цукру. З іншого боку, це все ми можем прослідкувати

у власному житті. Уявімо, десь шість років тому ми купили mp3-плеєр за 50 доларів.

І він мав якусь ємність, скажімо, один гігабайт. А за кілька років

за ті ж самі 50 доларів ви купили mp3-плеєр вже з ємкістю два або, можливо,

і чотири гігабайти. А ще через кілька років, за тих же 50 доларів, всі ці плеєри

будуть мати вісім гігабайт. І все це грунтується, фактично, на чіпові,

поміщеному в mp3-плеєр, який здійснює зберігання інформації за законом Мура.

Оскільки при виробництві все більше транзисторів розміщується на чіпові,

то за ту саму ціну вони можуть запропонувати все більшу ємкість.

Так що це все випливає з експоненціальності в законі Мура.

А далі я збираюсь розповісти про головні частини, що входять до складу комп'ютера.

Ось представлена невелика схема. Можемо бачити процесор (CPU), який виконує роль

схожу на мозок цього пристрою, далі є оперативна пам'ять (RAM) для тимчасового

збереження даних і, нарешті, диск або флеш-пам'ять для постійного зберігання.

Тепер поговоримо про кожну з цих частин. Можливо, найважливішою частиною комп'ютера

є процесор (CPU - central processing unit), і, мабуть, не випадково про нього кажуть

як про такі собі "мізки" комп'ютера. Фактично, саме він виконує всі обчислення.

Процесор має певний набір доволі простих операцій, які він вміє виконувати,

і коли ви кажете, що комп'ютер виконує два мільярди операцій за секунду,

насправді ви говорите про процесор. Це означає, що саме процесор робить ці

два мільярди операцій за секунду, і це є на сьогодні типовим значенням. Щоб зрозуміти,

що це є "мізки", давайте згадаємо ті вправи з написання коду, які ми мали недавно.

Ми натискали кнопку "run" і "щось" виконувало код. Так от, цим "щось" якраз

і був процесор, він брав код і виконував його. Ну а тепер, перш ніж почати говорити

про оперативну пам'ять, диски та інші подібні речі ми маємо згадати про байти.

Отже, байт є найбільш загальною мірою інформації, що зберігається.

Один байт - це, приблизно, одна літера, яку ви можете надрукувати,

наприклад, Т чи Х чи ще якусь. Вони займають якраз один байт. Пізніше я збираюсь говорити

про оперативну пам'ять, диски та інші подібні речі, а з точки зору збереження все це є об'єми.

Скільки інформації вони можуть вмістити? Все це вимірюється у байтах і пізніше я буду

говорити більш детально про різні об'єми, які ви можете мати. А зараз я лише

згадаю в загальному, що, наприклад один мегабайт - це приблизно мільйон байт,

а гігабайт - приблизно мільярд байт. Отже, згадавши це, можемо перейти до другої частини

наших технологій. Отже, оперативна пам'ять (RAM - random access memory) або просто

можемо сказати пам'ять - це тимчасове сховище, яке використовує процесор,

для збереження даних і коду безпосередньо в процесі обчислень. Так що коли ми

в коді говоримо щось таке: new SimpleImage("flowers.jpg") то можемо сказати

про завантаження даних в комп'ютер. І дійсно, те що відбувається -

байти цієї інформації завантажуються в RAM і якщо вони перебувають там, то процесор

може виконувати дії з ними. Так що, коли ви пишете код pixel.setRed(0),

то дані потрапляють в RAM і там проходять всі маніпуляції, що спричинюють зміни.

Ось такі активні речі відбуваються в RAM. Головне, що потрібно пам'ятати про RAM, це те,

що вона не є постійною. І коли живлення вимикається, то ця пам'ять очищається.

Так що це - гарне, швидкодіюче, тимчасове сховище, але воно не для тривалого зберігання.

Але я надіюсь, що ви можете трохи передбачати розвиток подій, коли працюєте

над чимось. Нехай, ви працюєте над статею і набираєте її в текстовому редакторі

і тут раптом ваш комп'ютер вимикається, можливо він зламався чи пропало живлення.

І ви починаєте розуміти, цо ті біти, які ви щойно набирали -

вони пропали. Тому що були в оперативній пам'яті. А версія статті яку ви маєте -

це та версія, яку ви зберігали. Так що, в текстовому редакторі коли ви натискаєте

команду "Зберегти", то ви берете версію, яка була в RAM, тобто тимчасову версію,

і записуєте її на диск. Так, зараз я зроблю підготовчі дії

і за мить ми продовжимо. Я надіюсь, ви зрозуміли, що означає бути постійним,

як диск, чи летючим, як RAM. Добре, потроху переходимо до третьої компоненти

апаратного забезпечення - постійної пам'яті. Головне, що можна сказати

про постійну пам'ять - це є велика область байтів. Але коли вимикається живлення -

дані залишаться там, де й були. Протягом довгого часу постійна пам'ять комп'ютера

реалізовувалась на т.зв. жорстких дисках. Вони містять в собі магнітний диск, що обертається,

а маленькі головки можуть розміщувати на ньому області намагнічення. Говорять, що вони

записують нулі й одиниці, зберігачи таким чином дані. Так що, коли ви маєте комп'ютер,

то, мабуть, не раз чули своєрідний ниючий звук, який створює магнітний диск,

що швидко обертається в невеликому корпусі. Порівняно недавно

з'явився винахід, що отримав назву флеш-пам'ять. І ця пам'ять також може

зберігати нулі й одиниці постійно, але вона є твердотільною, вона просто

використовує т.зв. флеш-чіп. Відповідно, вона не містить рухомих частин, є невеликою,

є дуже надійною, так що флеш-чіпи використовують для виготовлення USB-накопичувачів

або SD-карт, які можна використовувати в фотокамерах чи чомусь подібному.

Раніше вважалось, що ціна збереження байта інформації у флеш є більшою, ніж у жорсткому диску.

Отож, жорсткі диски використовувались скрізь. Але спрацював один із проявів закону Мура,

флеш-чіпи ставали дешевшими і дешевшими. І може так статись, що жосткі диски

відімруть для повсякденного вжитку. Ми не потребуватимемо їх, ми просто

використовуватимемо флеш-чіп. Поживемо-побачимо. Отже, якщо ви маєте жорсткий диск

чи флеш-чіп, що має велику область байтів для постійного збереження,

то самі по собі вони ще не можуть бути використані. Чи жорсткий диск, чи флеш-чіп

має бути організований у структуру, яка зветься файловою системою.

І ця файлова система є просто способом структуризації нашої великої області байтів,

надає впорядкованості всим цим файлам і папкам, вони всі мають імена

і ви можете переміщувати і розміщувати їх як схочете. А файл - це є, фактично,

просто спосіб отримати певну область, наприклад, 100,000 байтів і присвоїти їм

якесь ім'я. Скажімо, є файл flowers.jpg, і це ім'я відноситься до даних 100,000 байтів.

А далі користувач може копіювати їх, переносити чи ще щось.

Таким чином файлова система полегшує вам перегляд інформації, що є на дисках,

переміщення і організацію її. На цьому завершуємо вступну частину. Далі, я б хотів

показати вам фото реального апаратного забезпечення. Наприклад, ось фото

материнської плати. Це є комп'ютер, комп'ютер "Shuttle", який я купив

десь у 2008 р., а коли він зламався, то став моєю демонстраційною наочністю.

Це був дешевий комп'ютер, десь в загальному біля $200. А це - його материнська плата

до якої під'єднують всі електронні компоненти. Тут посередині міститься, мабуть,

найважливіша складова, центральний процесор. Давайте збільшимо зображення і

уважно поглянемо. Цей металевий корпус містить всередині чіп процесора.

Зараз я його переверну і тепер знизу ви можете бачити всі ці золоті контакти.

Таким чином, процесор - це найбільш складний чіп тут і він має дуже багато

електричних під'єднань до материнської плати.

А далі повернемось знову до фото, взятого мною з
Wikimedia і тепер ми можемо краще

зрозуміти його. Бачимо ці крихітні провіднички навколо по контуру. Вони під'єднуються

до контактів на корпусі, які є золотими, як ми бачили, а всередині корпуса вони

під'єднуються до крихітних контактів на чіпові, щоб подати електрику

на транзистори, що містятся на чіпові. Ще одна річ, на яку я зверну вашу увагу.

Що це за мідна штучка? Чіп знаходиться під нею. Вона зветься тепловим розсіювачем.

Оскільки електрика проходить через чіп, то він трохи нагрівається і, відповідно,

існує потреба розсіювати це тепло. Конструкція зроблена з міді, яка, як відомо,

є добрим провідником тепла, і просто прикрутивши її тут, ми можемо підтримувати

температуру потрібну для нормальної роботи. Раніше такий же розсіювач містився

зверху процесора, але я видалив його. Точно так же можете зробити і ви,

щоб все роздивитись. Значить, ось процесор в цьому комп'ютері, а тепер давайте

поглянемо на оперативну пам'ять. Подивіться на цю частину комп'ютера, це - RAM.

Вона зроблена на невеликій платі, яку можна знімати. На цьому фото можемо розглянути

детально, плата вставляється в слот. Вона має біля 512 мегабайт оперативної пам'яті.

Це було кілька років тому. Можливо сьогодні вже не вдасться купити плату такої малої ємності.

Отже, ви можете бачити два чіпа тут, а ще два містяться

під наклейками. Всього плата містить чотири чіпа. Можливо, за законом Мура,

якби ця плата виготовлялась кількома роками раніше,

вона мала б містити вісім чіпів. А далі, за законом Мура, можемо помістити більше

на кожен чіп і, таким чином, зберегти трохи грошей. Наприклад, на тих же 512 мегабайт

піде менше чіпів, отже це буде дешевше. Так що підсумуємо, ми розглянули процесор

і оперативну пам'ять. Останній компонент, який ми потребуємо - постійна пам'ять.

В даному комп'ютері постійна пам'ять забезпечується жорстким диском.

Це є жорсткий диск 3,5 дюйми, що є типовим розміром для настільних комп'ютерів.

Саме тут розміщується магнітний диск, що обертається. Пристрій під'єднується

до материнської плати за допомогою кабеля SATA, це такий стандарт.

Отже, ми розглянули три складових комп'ютера. Це був комп'ютер за $200.

І він робив все, що очікується від комп'ютера.

Нині ми вже маємо альтернативу жорсткому диску, це - USB флеш-накопичувач, або

як іноді кажуть, флеш-диск. Він, як ви знаєте, невеликий.

Я тут розібрав один. І коли ви глянете всередину, то побачите флеш-чіп.

Цей чіп просто зберігає дані, як постійна пам'ять, маленькі нулі й одиниці,

як маленькі групи електронів. І ця штука конкурує з жорстким диском.

Цей, що на фото має 1 гігабіт. Чіп, що в ньому міститься, зберігає один мільярд біт

і пізніше ми подивимось, скільки це може бути байт. Так що, це був флеш-накопичувач.

А далі бачимо SD-карточку, як ми знаємо, вона функціонує аналогічно, просто альтернатива

флеш-накопичувачу. Вона виготовляється за тією ж технологією, фактично, має просто

іншу форму. Її ви можете використовувати у вашій фотокамері.

А в якості останнього прикладу, поглянувши на той великий комп'ютер, поговоримо,

що завдяки проявам закону Мура ми можемо мати дешеві маленькі комп'ютери, придатні

для найрізноманітніших використань. Отже, маленький комп'ютер на одному чіпові називають

мікроконтролером. А ідея полягає в тому, щоб замість використання багатьох окремих чіпів,

ви могли розмістити і процесор, і RAM, і постійну пам'ять на одному чіпові. Пристрій не буде

дуже потужним, але буде дешевим. І закон Мура робить це можливим.

Отже, купуючи мікроконтролер, ви можете за ціну близько долара придбати, практично,

цілий комп'ютер, і все просто один чіп. Таким чином, ці майже комп'ютери, тобто

мікроконтролери, ви можете знайти у своєму термостаті, чи вони розкидані по вашому

автомобілю і виконують маленькі комп'ютерні функції. А яскравим представником

мікроконтролерів є цей пристрій. Це плата фірми Arduino, вона випускається з безплатним

і відкритим кодом, буде корисною в мистецьких постановках чи просто для людей, які

люблять гратися з такими речами. Отже, ось чіп, це - мікроконтролер,

він має невелику оперативну пам'ять, невеликий процесор і невелику постійну пам'ять,

все це в одному місці. Чіп монтується на цій платі разом з кількома допоміжними

мікросхемами. Ось USB чіп, а ось тут чіпи живлення,

щоб пристрій міг запрацювати. Ви можете купити один із варіантів пристрою десь

доларів за двадцять. А ідея в тому, що це є невеликий комп'ютер, отже він може зчитувати

стан сенсорів чи перемикачів, контролювати світлові ефекти чи ще щось. Отже ви можете

отримати задоволення від створення мистецького проекту чи чогось подібного.

Так що, коли ви любите створювати щось своїми руками і вам подобаються дротики, то перед вами

інша форма комп'ютера, з якою можна погратися.