Глава 8. Оборудование и роботы

В этой книге основной упор мы сделали на программное обеспечение. Но даже самые модные приложения бесполезны без аппаратного обеспечения, на котором их можно запускать: телефоны, планшеты, компьютеры, часы, очки и т. д. Эти устройства сами стали достаточно многофункциональными: телефон можно использовать вместо кредитной карты, солнцезащитные очки умеют записывать видео, а роботы могут вести войны без вмешательства человека.

Так как же работают эти чудеса техники на основе кремния? Давайте разберемся.

Что такое байты, КБ, МБ и ГБ?

Покупаете ли вы iPhone с памятью 128 ГБ, скачиваете приложение на 50 МБ или редактируете документ весом 15 КБ, вы, вероятно, постоянно сталкиваетесь с тем, насколько большими единицами измеряются все эти цифровые устройства. Но что на самом деле означают эти КБ, МБ и ГБ?

Начнем с основ: как записывается информация? Мы, простые люди, делаем это с помощью 33 букв и десяти цифр, объединяя их в слова и числа соответственно. Между тем у компьютеров есть только два значения – 0 и 1, – и они хранят все виды информации, от текста до графических изображений и фильмов, используя только множество нулей и единиц. Каждая единица или ноль называется битом. Сам по себе бит слишком мал, чтобы его можно было использовать самостоятельно, поэтому данные обычно измеряются в байтах, которые представляют собой группы из восьми бит. Например, число 166 в двоичном коде будет записано как 10100110. (Это число состоит из восьми бит или равно одному байту, что достаточно много.)

Байт – это единица измерения размера файла, как, например, метр – единица измерения футбольного поля. Средняя фотография весит от трех до семи миллионов байт, типичное приложение для Android или iOS – 38 млн байт, а фильмы высокого разрешения – до 25 млрд байт.

Поскольку файлы могут быть больше или меньше, их вес обозначается разными единицами измерения, по аналогии с сантиметрами, метрами и километрами для измерения расстояния. Килобайт (КБ) – это тысяча байтов, мегабайт (МБ) – миллион байтов, а гигабайт (ГБ) – миллиард байтов. Итак, вернемся к нашим примерам: фотографии весят 3–7 МБ, приложение – 38 МБ, а фильм HD – до 25 ГБ.

Помимо стандартных КБ, МБ и ГБ, есть еще терабайты (триллион байтов), петабайты (квадриллион байтов) и странные эксабайты (квинтиллион байт). Иногда эти единицы могут пригодиться: например, общий интернет-трафик в 2013 году составил пять эксабайт, то есть уму непостижимая цифра в пять миллиардов гигабайт, или 5 квинтиллионов байт.

Что для компьютеров и телефонов значат характеристики процессора, оперативной памяти и другие?

При покупке MacBook, смартфона Samsung Galaxy или любого другого устройства на пользователя дополнительно сваливается информация о характеристиках или просто цифры, которые объясняют, насколько мощным и быстрым будет устройство. Некоторые характеристики довольно просты для понимания, например, что iPhone 7 имеет 32 ГБ памяти. Но некоторые из них вызывают недоумение: что такое «четырехъядерный процессор Intel Core i9» и «512 ГБ на SSD»?

Этого уже достаточно, чтобы голова пошла кругом. Можно написать целую книгу об этих спецификациях, но давайте рассмотрим наиболее важные. Каждое вычислительное устройство (ноутбуки, планшеты, телефоны, умные часы и т. д. – что угодно с интерактивным экраном) выполняет одинаковые функции.

CPU: центральный процессор

Итак, начнем с «мозгов» – центрального процессора, или CPU (ЦП). Центральный процессор представляет собой небольшой квадратный чип, который выполняет все вычисления, заставляющие устройство работать, например принять решение, что показать на экране, подключиться к интернету или произвести математические вычисления.

Вид чипа процессора Intel изнутри. Источник: Eric Gabal

Процессоры состоят из нескольких небольших секций, называемых ядрами, каждое из которых может самостоятельно производить вычисления. Процессоры с большим количеством ядер работают быстрее и могут выполнять больше задач. Равносильно тому, как если бы четыре человека совместными усилиями расчищали дорогу от снега. Вместе они закончат работу в четыре раза быстрее, чем один человек. Как правило, устройства, имеющие CPU с большим количеством ядер, могут выполнять более сложные вычислительные задачи, например запускать приложения для редактирования видео, игры со сложной графикой или обрабатывать большой объем числовой информации.

У процессора также есть тактовая частота, то есть количество тактов (операций) в секунду. Она обычно измеряется в гигагерцах (ГГц), что составляет миллиард вычислений в секунду. Теоретически, чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор. Но большинство людей уже не используют ее как меру сравнения скорости работы процессоров. В основном это обусловлено тем, что есть слишком много других факторов, определяющих его скорость, а также потому, что в реальности нельзя сравнить тактовые частоты процессоров разных марок.

Непосредственно сравнить процессоры достаточно сложно еще потому, что есть очень много различных факторов, влияющих на скорость и мощность. Чтобы получить приблизительную оценку того, как происходит сравнение двух процессоров, используйте номер серии: у Intel есть номера i3, i5, i7 и i9. Как правило, чем выше номер чипа, тем мощнее и быстрее он работает. Чип с номером i9 будет быстрее, чем чип с меньшим номером i3.

Так какой же процессор лучше всех? Зависит от потребностей пользователя. Чем мощнее процессор, тем он дороже и тем быстрее разряжается батарея. Поэтому, если вы просто пользуетесь Facebook и отправляете электронные письма, вам не нужен мощный процессор, как не нужен Ferrari только для того, чтобы доехать до продуктового магазина и обратно.

Напоследок кратко рассмотрим два основных типа процессоров: ARM и Intel. Intel (также известен как x86) обычно считается более мощным, но чипы ARM стоят дешевле и потребляют меньше энергии. Поэтому Intel обычно устанавливали на компьютеры, а ARM – на телефоны. Но производительность ARM постоянно повышалась, и границы между Intel и ARM стали более размыты: одни нетбуки Chromebook работают на ARM, а другие – на Intel, и Apple анонсировала MacBook, который в 2020 году перейдет с Intel на ARM.

Хранение: долговременная память

Устройству нужно куда-то помещать изображения, приложения, документы и прочие материалы, которые вы захотели сохранить. Для этого требуется какая-то форма долговременного хранения. Для начала давайте рассмотрим то, что доступно на компьютерах (о телефонах и планшетах поговорим чуть позже).

Традиционно цифровые данные хранятся на жестком диске (HDD), который представляет собой вращающуюся металлическую пластину, покрытую магнитными дисками, куда записывается информация. На нем есть специальное коромысло, считывающее и записывающее данные на диск.

Сейчас появились более новые твердотельные накопители (SSD), у которых нет подвижных частей, при этом информация хранится в огромной сетке из крошечных коробок – ячеек.

Жесткий диск. Большинство из них выпускаются диаметром 2,5–3,5 дюйма. Источник: Wikimedia

Твердотельный накопитель. Обратите внимание на отсутствие подвижных частей. Источник: Wikimedia

Каждая крошечная ячейка содержит нуль или единицу. Поскольку SSD представляет собой нечто большее, чем просто набор ячеек, у него нет подвижных частей. Далее объясним, почему это важно. Эта технология называется «флеш-память», и она пользуется широкой популярностью: SSD, флеш-накопителям и SD-картам она нужна для хранения информации.

Жесткий диск или SSD

Так какая форма хранения лучше? Жесткие диски состоят из подвижных частей с хрупкими коромыслами и дисками, поэтому они быстрее ломаются (даже в условиях нормальной эксплуатации), шумят, много весят и потребляют много энергии. Между тем в SSD подвижные части отсутствуют, благодаря чему они намного прочнее, тише, легче и эффективнее. Кроме того, для поиска информации жесткие диски должны вращаться вокруг движущегося диска, в то время как SSD просто должны передавать импульсы электричества, благодаря чему они работают намного быстрее.

Другими словами, SSD превосходят жесткие диски практически во всем. В пересчете на байт, раньше жесткие диски были дешевле, но даже это сейчас не так актуально, поскольку SSD дешевеют с каждым годом. В 2012 году SSD с памятью в 1 ТБ стоил более тысячи долларов, но сегодня его цена составляет менее 150 долларов – фактически на данный момент жесткие диски и SSD имеют почти одинаковую цену за байт.

И хотя раньше жесткие диски преимущественно устанавливались на компьютерах, сейчас это первенство занимают SSD. Больше нельзя купить MacBook или Microsoft Surfaces с жесткими дисками; все они предлагают только SSD.

На SD-картах используется флеш-память, тот же тип памяти, что на телефонах и планшетах. Источник: Mashable

Тем временем телефоны, планшеты и камеры могут использовать только флеш-память. (Помните, SSD – это просто особый вид флеш-памяти для ноутбуков.) Одна из причин заключается в том, что нельзя уменьшить жесткий диск настолько, чтобы он мог поместиться в современные мобильные устройства, можно уменьшить только вращающиеся пластины. Поэтому для небольших устройств приходится использовать флеш-память. Кроме того, она занимает мало места, экономит энергию и устойчива к падениям, что играет на руку любому мобильному устройству.

RAM: оперативная память

RAM, или запоминающее устройство с произвольным доступом, – это оперативная память устройства. (У людей тоже есть краткосрочная память: вы используете ее для временного запоминания номера телефона, когда пытаетесь его набрать.) Все, что запускается на устройстве: приложение, вкладка браузера или документ Word, занимает некоторое количество оперативной памяти, когда устройство запоминает эти действия. Важно отметить кратковременность оперативной памяти. Каждый раз, когда перезапускается приложение, содержимое оперативной памяти о нем стирается. Поэтому, если закрыть документ Word, не сохранив его, содержимое исчезнет. Точно так оперативная память стирается при перезагрузке устройства. Именно поэтому при повторном включении телефона или компьютера на них нет открытых приложений.

Зачем нужны и оперативная память, и место для хранения? В качестве аналогии представьте, что вы делаете домашнее задание по математике за рабочим столом и вам нужно сослаться на множество конспектов и книг. Если бы вы хранили их все в книжном шкафу (который представляет собой место хранения), вам приходилось бы вставать и подходить к нему каждый раз, когда потребуется информация. Это медленно и неэффективно. Вместо этого можно разложить все книги и конспекты на столе, чтобы было проще сразу найти всю необходимую информацию; это и есть оперативная память. Предупреждаем: чем больше всего будет разложено на столе, тем в большем хаосе вы окажетесь, и в итоге просто в панике выбежите из комнаты. Так же и оперативная память: она помогает компьютеру одновременно выполнять большое количество вычислений, но число их ограниченно.

Что произойдет, если оперативная память закончится? (Это может случиться в том числе и потому, что вы открыли две тысячи вкладок.) Компьютер займет немного места (пространство подкачки) у жесткого диска или SSD и использует его как дополнительную оперативную память, но доступ к этому «взятому взаймы» пространству отнимет гораздо больше времени, так как запоминающее устройство работает медленнее. В результате и компьютер будет работать гораздо медленнее. Вот почему устройства сильно тормозят, если открыто много приложений, игр и вкладок. Если компьютер завис, необходимо снять нагрузку с оперативной памяти. Закройте часть приложений или перезагрузите устройство. Оперативная память очистится, и можно начать все сначала.

В целом чем оперативной памяти больше, тем лучше, хотя это и стоит дороже. Большой объем оперативной памяти позволяет компьютеру запускать игры, которые много весят, редактировать видео и приложения, которые обрабатывают много данных. Но если вам нужно только постоянно проверять электронную почту или серфить в интернете, то можно обойтись и небольшим ее количеством.

Благодаря большому объему оперативной памяти компьютер может работать быстрее, хотя это не панацея, поскольку есть и другие факторы, влияющие на скорость, в том числе и процессор.

Компромиссы

Важный урок, который следует усвоить из этого раздела, состоит в том, что производителям оборудования всегда нужно идти на компромисс при его разработке. Например, производители игровых ноутбуков стараются максимально увеличить объем оперативной памяти, но чтобы снизить затраты, приходится жертвовать временем работы батареи. Некоторые серверы специально предназначены для хранения изображений; у них больше места для хранения, но меньше оперативной памяти, поскольку они не будут запускать много приложений. Нельзя получить все сразу, поэтому придется определиться, какие функции для вас наиболее важны.