Рисовое зернышко и самый маленький компьютер
Обновлено: 04.07.2024
В марте прошлого года программа AlphaGo, разработанная Google DeepMind, одержала победу над одним из лучших мастеров го в мире — Ли Седолем (Lee Sedol). Эта серия игр стала показателем того, на что способны нейронные сети. И они находят применение в других (менее глобальных) приложениях, например программах для обнаружения вредоносного ПО или перевода текста на изображениях.
Среди них выделяются Google, Nvidia, Qualcomm и др. Но сегодня мы бы хотели поговорить о разработке ученых Мичиганского университета — проекте Michigan Micro Mote — компьютере объемом в один кубический миллиметр.
Генеральный директор SoftBank Масаёси Сон (Masayoshi Son) предположил, что к 2035 году количество гаджетов Интернета вещей достигнет 1 триллиона. Однако у современных устройств, например камер, микрофонов, замков, термостатов, есть недостаток — они не способны анализировать информацию самостоятельно, потому постоянно передают её в облако, затрачивая энергию.
Исследователи из Мичиганского университета поставили перед собой задачу решить эту проблему и сделать умные и маленькие компьютеры с сенсорами для IoT.
«Сложно представить, сколько данных сгенерирует триллион устройств, — говорит профессор Мичиганского университета Дэвид Блааув (David Blaauw). — Создав маленькие энергоэффективные сенсоры, способные проводить анализ «на лету», мы сделаем наше окружение более безопасным и сэкономим электричество»
Именно проблему энергопотребления должен решить компьютер Michigan Micro Mote, который настолько маленький, что сопоставим размерами с рисовым зернышком.
Тем не менее он является полнофункциональной вычислительной системой, способной действовать как умный датчик. Например, его используют для мониторинга внутриглазного давления.
Удивительно маломощный
Периферия включает в себя контрольный таймер и датчик температуры, но к их числу можно добавить еще 8 сенсоров, в зависимости от требуемого функционала.
Схема процессора Phoenix (Источник)
Ядро и периферия взаимодействуют с помощью системной шины, использующей простой асинхронный протокол. Большую часть времени процессор Phoenix проводит в режиме готовности. Контрольный таймер, который является осциллятором с низким потреблением тока, «будит» процессор и запускает процесс обработки и сохранения показаний температурного датчика. После выполнения задачи, процессор возвращается в режим готовности и ожидает следующей команды — такой подход позволяет серьезно сократить энергопотребление.
CPU и другие логические модули могут быть отключены от источников питания, когда их услуги не требуются, а вот память (IMEM и DMEM) — нет, поскольку она должна хранить записанные в неё данные. Поэтому модули SRAM остаются главными потребителями энергии. По этой причине разработчики применяют методики, призванные снизить утечки тока, например высокий уровень напряжения на входах транзисторов. С той же целью была увеличена длительность стробирующего импульса.
Архитектура памяти данных (DMEM) с ячейкой SRAM (Источник)
Чтобы еще сильнее снизить энергопотребление, DMEM работает с так называемым списком свободной памяти. Этот список, управляемый CPU, содержит информацию об используемых строках в памяти DMEM. DMEM имеет 26 переключателей (каждый подключен к 2 строкам), которые выборочно отключают подачу тока в режиме готовности, учитывая состояние списка свободной памяти.
Разработчики также оптимизировали работу CPU с IMEM и DMEM. Для работы с IMEM используется минимальный набор базовых команд. Длина команды ограничена 10 битами, при этом популярные операции используют гибкие способы адресации, а менее популярные — неявные операнды. Также в процессоре имеется аппаратная поддержка сжатия, чтобы максимизировать емкость памяти.
Отображение адресов виртуальной памяти в DMEM выполняется с использованием фиксированного алгоритма Хаффмана. Сама DMEM разделена на статические и динамически определяемые блоки. Каждые 16 байт виртуальной памяти получают одну строку статического раздела. Если запись в память вызывает переполнение, избыток переносится в динамический раздел по указателю.
Схема температурного датчика (Источник)
Что касается встроенного температурного датчика, то его схема представлена на рисунке выше. Температуронезависимый источник тока (Iref) и источник тока, показания которого меняются согласно абсолютной температуре (Iptat), подключены к кольцевому генератору, переводящему температурную информацию в импульсы. Затем эти сигналы поступают на суммирующий счетчик, генерирующий цифровые данные. Поскольку значение температурного датчика сохранять надолго не требуется, он отключается во время простоев, чтобы дополнительно сэкономить энергию.
В своей работе ученые провели тестирование процессора Phoenix и установили, что он потребляет 297 нВт в активном режиме и всего 29,6 пВт в режиме готовности.
Из чего сделан «бутерброд»
Помимо процессора, Michigan Micro Mote имеет несколько других «слоев», выполняющих свои функции. Одним из них являются солнечные панели — солнечная батарея площадью 1 квадратный миллиметр способна производить 20 нВт мощности.
Разрез Michigan Micro Mote (Источник)
Помимо солнечных батарей, устройство состоит из управляющего модуля, радиомодуля, интерфейса сенсорной системы, самого процессора, батареи и элемента регулирования мощности.
Слои общаются между собой с помощью специально разработанного универсального интерфейса, названного MBus. При этом ученые могут просто заменить один из слоев на другой, реализовав новый тип следящего устройства. Такой дизайн значительно снижает стоимость производства.
Путь в микробудущее
Возможности технологии ученые из Мичигана продемонстрировали на конференции ISSCC.
Камнями преткновения к расширению зоны покрытия остаются размер антенны и необходимость увеличения мощности для передачи информации на большие расстояния, что сказывается на энергопотреблении.
Исследователи предпринимают и другие шаги к улучшению микрокомпьютера. Например, они постоянно совершенствуют память устройства — предыдущие поколения Micro Mote использовали лишь 8 килобайт SRAM, что делало их непригодными для обработки звука и видео. Поэтому команда ученых снабдила новые компьютеры флеш-памятью в 1 мегабайт.
Более того, одно из устройств Micro Mote, представленных на ISSCC, имело на борту процессор для глубокого обучения. Микрогаджет оказался способен управлять нейронной сетью, потребляя при этом всего 288 мкВт. Обычно такие задачи требуют больших банков памяти и вычислительных мощностей, предоставляемых современными GPU.
Блааув говорит, что их стартап CubeWorks уже занимается прототипированием устройств и исследованием рынков. Ученые надеются, что через 2 года появятся камеры наблюдения, способные вычислить разыскиваемого правонарушителя прямо среди проходящих мимо людей, и другие умные устройства из мира IoT.
Сегодня полноценный мощный компьютер – достаточно дорогое удовольствие. К тому же для него требуется оборудовать рабочий угол, что не всегда возможно. Решением такой проблемы можно считать сравнительно новую разработку – мини ПК. Не стоит их избегать, ведь каждый производитель, пытаясь удивить пользователей, наделяет этих крошек нереальными техническими характеристиками. Их особенность в небольших размерах, высокой мощности и меньшей стоимости по сравнении с большинством полноразмерных ПК.
Нужно сказать, что сначала мини компьютеры предназначались исключительно для интернет-серфинга. Первый такой системный блок был представлен еще в 2005 году компанией Apple. Следом появилось много подобных моделей других производителей. В дальнейшем разработчики постарались наделить их мощной базой, что позволяет использовать неттопы для игр, коммерческих проектов и для работы в офисах.
ПК с рисовое зернышко
В Университете штата Мичиган был построен самый крошечный системный блок в мире. Его размер не превышает 0,3 мм, что делает его абсолютным рекордсменом в сегменте. Этот термочувствительный компьютер имеет полноценный процессор, но в отличие от стационарных устройств теряет все данные после перезапуска системы.
Стоит отметить, что компьютер предназначен для медицинского использования, являясь своеобразным датчиком, измеряющим перемены на небольших участках. Он способен распознать скопление клеток в определенных органах и системах организма, а значит, способен снизить риск развития рака, определить глаукому на ранних стадиях и выяснить причину их появления изнутри.
Вместе с тем, компьютер размером с зернышко может использоваться и в других сферах. Его уже испытали для мониторинга нефтехранилищ и биохимических процессов, использовали для аудио и видео мониторинга, а также при изучении самых маленьких видов улиток.
Apple Mac mini
Mac mini нельзя назвать топовым компьютером, поскольку он слегка отстает продуктивностью от других, хотя это далеко не самый слабый вариант. Аппаратная составляющая ПК представлена в двух конфигурациях Intel Core i5 и Core i7.
При этом модель Mac mini считается самой доступной и компактной разработкой компании.
Кроме того, на борту ПК были предусмотрены все нужные порты и беспроводные модули. Максимальный обьем встроенного накопителя может достигать 2 Тбайт. Продукт выполнен в стиле компании с минималистичным дизайном, который так любят пользователи.
Одноплатный Odroid-C4
Одноплатный Odroid-C4 был представлен миру компанией Hardkernel. В основе устройства разработчики использовали 4-ядерный процессор от Amlogic с пассивной системой охлаждения. Все это имеет рекордно маленьких вес, составляющий всего 59 г.
Максимальный обьем флеш-накопителя неттопа может достигать 64 Гб.
Также имеется внушительный перечень внешних портов и беспроводных модулей. Корейский Odroid-C4 считается главным конкурентом Raspberry Pi 4 и по многим показателям свободно его обходит. Стоит сказать, что даже с таким незначительным весом, неттоп от Hardkernel далеко не самый маленький и компактный в мире, поскольку есть модели с еще более компактными габаритами.
HPEliteSlice
Elite Slice – сравнительно новый продукт, производительность которого может конкурировать со многими моделями стационарных компьютеров. Устройство имеет нужные порты, беспроводные интерфейсы и интересный дизайн. Также производители оставили пользователям возможность расширять потенциал неттопа.
HP выпустило несколько разных модификаций с процессорами Intel Core i3, i5 и i7. Для защиты данных пользователя имеется сканер отпечатка пальцев. Наличие специального крепления позволит спрятать компактный системный блок за экраном. Также есть отдельная версия компьютера для корпоративного применения.
Chuwi LarkBox на 0,16 л
Еще один миниатюрный компьютер совсем недавно представила компания Chuwi. Оно считается самым компактным неттопом, поддерживающим видео формата 4К. Его размеры 61 × 61 × 43 мм не могут не удивить, как и общий обьем корпуса, который не превышает 0,16 л.
В основе продукции был использован процессор Intel Celeron N4100 поколения Gemini Lake с 4-я ядрами, что также достаточно необычно. Данные хранятся на твердотельном накопителе объемом в 128Гб. Также пользователям дают возможность установить дополнительную карту памяти аналогичного объема.
Есть здесь и все стандартные беспроводные адаптеры и порты.
Производители заявляют, что мини-ПК можно использовать для разных целей: как домашний развлекательный центр, привычный компьютер или игровую приставку. А вот специальное крепление позволит спрятать блок за компьютером или телевизором.
Dell OptiPlex 9020 Micro
Вся линейка Dell OptiPlex 9020 без исключения наделена одинаковой аппаратной составляющей. При этом только версия Micro имеет несколько вариантов установки, для удобства пользователей. Есть также версии с процессорами от Intel Core i3, i5 или i7.
Порадуют и отличные характеристики оперативной памяти.
Что касается интерфейса, то здесь есть все нужные внешние порты, но отсутствуют беспроводные модули. Главным преимуществом считается возможность подключения сразу нескольких мониторов.
Игровой MSI CUBI N 8GL
CUBI N 8GL – далеко не первая модель неттопа от линейки MSI. Его габариты 11х11х4 см хоть и вызывают определенный скепсис, никак не отражаются на «начинке», способной обеспечить полноценный и комфортный рабочий процесс.
Неттоп можно использовать для работы с документами, интернет-серфинга и просмотра видео высокого качества. А наличие графики Intel UHD Graphics 600 позволяет эксплуатировать компьютер даже в игровых целях.
Вот такие вот они, компьютерные малыши – очень компактные, но от этого не менее производительные!
Исторически развитие электроники развивается по направлению к миниатюризации (если не считать дисплеи смартфонов). Так происходило и с компьютерами — первые ламповые машины занимали целые комнаты, при этом оставаясь, по своей сути, огромными калькуляторами. Однако спустя десятки лет мы получили гаджеты, содержащие в себе куда больше производительности и возможностей, и при этом помещающиеся в карман. Однако и это, как оказалось, не предел — представлен автономный компьютер, который размером может посоревноваться с рисовым зерном.
Самый маленький компьютер в мире размером с рисовое зерно
Michigan Micro Mote (M3) — самый маленький автономный компьютер в мире. Его размеры составляют всего один кубический миллиметр. Несмотря на свои миниатюрные размеры, девайс способен делать фотографии, определять температуру и записывать показания давления. Причем это не концепт или ранний прототип — ученые заявляют о готовности к запуску в массовое производтво уже сейчас.
Самый маленький компьютер в мире размером с рисовое зерно Самый маленький компьютер в мире размером с рисовое зерно
Представленные возможности намекают, что создатели метят в медицинскую отрасль. Компактные размеры позволяют вводить M3 в организм, где он будет выполнять мониторинг ряда показателей жизнедеятельности. Однако спектр применения не ограничен медициной — определенную заинтересованность к разработке проявляют и представители нефтяной промышленности, в частности, для обнаружения нефтяных залежей. Сами же разработчики видят и более приземленное использование — M3 может стать уникальным компьютером, обеспечивающим развитие инфраструктуры «интернета вещей», в частности, из них можно создать поисковые маячки, чтобы больше никогда ничего не терять, достаточно будет просто закрепить по одному на ключи, кошелек и любой другой объект.
Самый маленький компьютер в мире размером с рисовое зерно Самый маленький компьютер в мире размером с рисовое зерно Самый маленький компьютер в мире размером с рисовое зерно
Создателям уже не терпится заняться еще более микроскопическим компьютером, который они уже называют между собой «умной пылью». На данный момент, ученые видят в долгосрочной перспективе достижение рубежа, когда размер компьютера будет измеряться в микронах: «Тогда мы сможем получить чипы внутри клеток [организмов]». M3 уже готов к производству и в скором времени, если возможности микрокомпьютера будут совершенствоваться и дальше, мы сможем увидеть их в большом числе потребительских устройств.
Никто же не рассчитывал, что самому маленькому компьютеру в мире, созданному учёными IBM, не будет брошен вызов? И правильно, потому что в Мичиганском университете был произведён «компьютер» для регистрации температуры, занимающий объём лишь 0,04 кубических миллиметра, или примерно десятую часть прежнего рекордсмена от IBM. Это столь малый размер, что рядом с устройством рисовое зёрнышко кажется гигантским. Решение настолько чувствительное, что свет от базовой станции и от собственного встроенного светодиода может вызывать токи в его микросхемах.
Ограничения по размеру заставили исследователей проявить творческий подход к уменьшению влияния света. Они переключились с диодов на коммутируемые конденсаторы и вынуждены были бороться с относительным увеличением электрических шумов, возникающих при функционировании устройства, которое потребляет столь малое количество энергии.
Результатом работы исследователей стал датчик, который с точностью до 0,1 градуса Цельсия может регистрировать изменения в чрезвычайно малых регионах, — например группы клеток в организме. Учёные подозревают, что опухоли немного горячее, чем здоровые ткани, но до сих пор это было трудно проверить. Если теория верна, крошечное устройство поможет доказать это утверждение и оценивать эффективность лечения рака. Команда также предполагает, что их устройство будет полезно, чтобы диагностировать глаукому внутри глаза, контролировать биохимические процессы, осуществлять мониторинг резервуаров с нефтью, развить системы наблюдения и даже изучать крошечных улиток.
Почему в новостях упоминается компьютер? Несмотря на крошечный размер, устройство включает процессор ARM Cortex-M0+, оперативную память, беспроводные средства приёма и передачи данных (при помощи света). Но, как и в решении IBM, при прекращении питания теряются все данные. Прежде к микрокомпьютерам относились устройства вроде Michigan Micro Mote (2 × 2 × 4 мм), способные сохранять свою программу и данные даже при отсутствии внешнего питания. Так что кто-то может посчитать, что речь в данном случае не идёт о полноценном компьютере. Так или иначе, изобретение расширяет пределы вычислительных мощностей и приоткрывает взгляд на будущее, где почти незаметные глазу вычислительные решения могут стать обычным делом.
Маленькое рисовое зернышко — именно так переводится название одной из самых известных на сегодня технологических компаний. История компании Xiaomi — история о том, как в прошлом небольшой производитель программного обеспечения сейчас продает все: от смартфонов до столовых приборов.
Лэй Цзюнь
Одним из основателей и идейным вдохновителем компании Xiaomi стал Лэй Цзюнь. Для него все началось еще в Уханьском университете. Лэй Цзюнь поступил туда только из-за желания продолжать учебу с другом, но так совпало, что университет одним из первых начал обучать компьютерной грамотности в КНР, и Лэй Цзюня это заинтересовало. Несмотря на то, что компьютеров было мало, а очереди огромные, Лэй Цзюнь находил любые способы добраться до них, из-за этого частенько имел проблемы с преподавателями.
Первые мысли о создании собственного дела посетили Лэй Цзюня еще на первом курсе — после прочтения книги «Пламя Кремниевой долины». В университете он впервые проявил предпринимательскую жилку, создав общество «Жёлтая роза», где студенты создавали программы и продавали их.
«Моя цель — сделать Xiaomi национальной гордостью Китая», — заявил однажды Лэй Цзюнь Forbes.
Xiaomi
Компания была основана не так давно, 6 апреля 2010 года, восемью партнерами. Первым продуктом компании стал интерфейс MIUI, прошивка-надстройка для ОС Android. Изначально никто не думал о производстве гаджетов, целью было насытить рынок аналогами сервисов Google и навязать конкуренцию гиганту.
MIUI, Mi1 и Redmi
Фирменная прошивка MIUI впервые увидела свет 16 августа 2010 года. В создании прошивки пригодились и стартапы, в которые ранее инвестировал Лэй Цзюнь. Во-первых, компания активно пользовалась их услугами при разработке как ПО, так и гаджетов, во-вторых, одной из инвестиций был мессенджер MiChat, который стал одним из главных маркетинговых инструментов компании в то время.
Лэй Цзюнь был активным пользователем MiChat и, когда назрела идея выпустить собственный смартфон, он стал обсуждать будущее устройство в MiChat, его внешний вид и характеристики. Но он не только задавал вопросы и прислушивался к советам пользователей, а и вступал с ними в открытую дискуссию. Результатом такого активного общения стало то, что еще не выпущенный смартфон стал объектом заинтересованности 500 тысяч подписчиков.
После этого Лэй Цзюнь обязал каждого сотрудника Xiaomi вести собственные блоги про свою работу, как итог — аудитория компании увеличилась до 10 млн. Так и появилось сообщество Mi-фанов — ярых поклонников бренда, которые приносят ощутимую часть прибыли для компании.
В августе 2011 года Xiaomi анонсировали Mi1 — свой первый смартфон. Устройство предлагало очень неплохие технические характеристики за крайне скромную плату, а качество исполнения было сопоставимо с продукцией Apple, цена составила 1999 юаней (около $320). На тот момент это было в два раза дешевле самого дешевого Iphone 4. Первая партия состояла из 300 000 аппаратов и была распродана всего за 34 часа. Компания продавала свои смартфоны напрямую через свой сайт, минуя посредников.
1999 юаней хоть и были крайне демократичной ценой, все же были не всем по карману, потому в 2013 году Xiaomi запустит линейку Redmi стоимостью от 699 юаней ($112), которая в будущем перерастет в отдельный бренд.
Больше гаджетов, больше продаж, больше брендов
В августе 2013 года компания анонсировала уже Mi2 и к сентябрю 2013 года продала более 10 миллионов гаджетов. В том же сентябре 2013 года Лэй Цзюнь объявит о планах запуска 3D ТВ на ОС Android, который будет собираться другой компанией на заводе в Тайване. Вскоре большая часть продукции Xiaomi будет производиться по подобному принципу. Также был анонсирован Mi3, который за первые 3 минуты был раскуплен в количестве 200 тысяч единиц, и уже в октябре компания стала 5 мобильным брендом в Китае.
В том же году были представлены планшет, умный браслет и новая версия MiTV2, к концу года продажи смартфонов достигли отметки в 60 млн штук. В 2015 году компания продолжила расширять ассортимент устройств — появились экшн камера, наушники и блютус колонка. Параллельно появлению новых продуктов, расширилась и линейка смартфонов, появились планшетофоны, обновились основные линейки.
За почти 11 лет существования компания расширила свой продуктовый ряд до невообразимых масштабов: чайники, ноутбуки, стиральные машинки, столовые приборы, электроштопоры, роботы-пылесосы, увлажнители, беговые дорожки, одеяла с подогревом, наушники, отвертки, камеры видеонаблюдения и не только.
Как молодой компании удалось выпустить столько линеек настолько разных гаджетов? Ответ прост: стартапы, суб-бренды и дочерние компании. Компания инвестирует во все, что только может, выкупает всех, кто кажется ей интересным и, в отличие от западных компаний, которые просто поглощают потенциальных конкурентов, развивают то, что купили, или во что инвестировали.
Примерами детища Xiaomi можно назвать компанию Amazfit, одного из крупнейших производителей носимой и не только спортивной электроники в мире, компанию Mija, которая выпускает широкую линейку гаджетов для умного дома, компанию RoboRock, которая выпускает самые продвинутые роботы-пылесосы на рынке и безумно популярный отделившийся от материнской компании суб-бренд Redmi, который смог занять свою нишу на рынке смартфонов.
А я Xiaomi в два раза дешевле куплю — феномен цен.
Цену продуктов компании можно назвать очень демократичной, что связано с небольшой маржой. Например, по исследованию аналитической компании Counterpoint, по состоянию на конец 2017 года компания Xiaomi зарабатывала лишь $2 с каждого проданного смартфона, при этом выручка с каждого проданного iPhone составляет $151.
С чем же это связано? Если верить Лэй Цзюню, то это политика компании. Весной 2018 года он заявил, что компания постарается никогда не превышать чистую маржу в 5% на всех своих продуктах, включая смартфоны. А осенью 2019 года сделал заявление, что причина популярности смартфонов Xiaomi заключена как раз в том, что валовая прибыль компании от их продажи составляет не более 8—9%.
Согласно опубликованному финансовому отчету компании за 2019 год, общая прибыль от всего оборудования, которое продала Xiaomi, не превысила 1%. Можно ли в таком случае считать Xiaomi компанией добра, которая все делает для пользователей? Проанализировав данные, можно сделать два вывода:
Первый — компания увеличивает прибыль с помощью рекламы внутри своей прошивки, а также своими сервисами, которые предустанавливаются на все устройства компании без возможности их удаления. Дополнительно можно добавить, что на основных для Xiaomi рынках эти сервисы пользуются огромной популярностью.
Но на этом хитрости Xiaomi не заканчиваются. Второй вывод приводит к факту, что компания специально раздувает расходы, чтобы снизить налоговую нагрузку на бизнес. Например, строительство новой штаб-квартиры обошлось компании в $1.5 млрд, которые, естественно, попадают в строку расходов, туда же отправляются и инвестиции в стартапы, отделение брендов, перекупка компаний, расширение штата. Все эти расходы снижают прибыль в отчетности, хоть фактически компания приобретает активы.
Xiaomi выбрала для себя хитрую бизнес-модель, которая позволяет максимально снижать налоговую нагрузку. Нельзя отрицать, что они все еще продолжают продавать устройства с хорошим соотношением цена-качество, но их высказывания о беспокойстве за пользователей и маленьком заработке на них же сильно преувеличены.
Читайте также: