Особенности современных ноутбуков

Евгений Рудометов

Rudometov@rudometov.com

В настоящее время на компьютерном рынке представлена широкая гамма  разнообразных моделей ноутбуков, отличающихся друг от друга конструктивными и функциональными возможностями

За несколько десятилетий развития компьютеров многократно возросла их вычислительная мощь и увеличились их функциональные возможности. Некогда гигантские комплексы, требующие особых условий обслуживания и эксплуатации, благодаря успехам полупроводниковых технологий постепенно превратились в компактные, недорогие, стационарные вычислительные системы. Эти системы были названы настольными персональными компьютерами (Desktop PC). Высокая производительность и большие потенциальные возможности данных устройств обеспечили им широкое распространение. Современные компьютеры применяются не только в управлении производствами и офисной работе, но и в качестве основы аудиокомплексов, домашних кинотеатров, центров электронной связи и доступа к информационным ресурсам глобальной сети Интернет. Кроме того, данные устройства — это мощные игровые системы, обеспечивающие досуг сотням миллионов энтузиастов и процветание соответствующим отраслям индустрии с оборотом в десятки миллиардов долларов США.   

Однако, несмотря на все достоинства у данного массового класса компьютеров имеются  существенные ограничения их использования, вытекающие из особенностей их архитектуры. Дело в том, что динамика современной жизни требует соответствующих мобильных устройств, на роль которых не могут претендовать настольные компьютеры из-за их габаритов, веса и привязки к стационарным сетям электропитания и связи. Значительная часть пользователей, ведущих активный образ, испытывает потребность в постоянном контакте с компьютером. И если на работе, а также и дома, они могут рассчитывать на возможности стационарных решений, то в дороге, командировках и в редких случаях отдыха эта категория пользователей нередко испытывает дискомфорт от отсутствия компьютеров и электронной почты. Именно поэтому стремительно развивается альтернативный тип компьютеров, представленных различного типа ноутбуками (Notebook), которые отличаются друг от друга конструктивными, функциональными и потребительскими возможностями.

Широта диапазона особенностей осложняет проблему выбора модели, оптимальной для решения конкретных задач. Однако, несмотря на сравнительно большое количество технических и потребительских параметров, среди них сравнительно нетрудно выделить наиболее важные.

Для мобильных устройств к ним относятся, прежде всего, время автономной работы и вес. Здесь сразу необходимо отметить, что стремление увеличить первый параметр неизбежно увеличивает и второй. Это сказывается на мобильности, поэтому конструкторы постоянно ищут различные компромиссы. Благодаря средствам энергосбережения, внедряемым в архитектуру мобильных, а в последнее время и новейших настольных систем, компьютеры стали более экономично расходовать электроэнергию. Это обеспечивает для ноутбуков повышенное время работы от аккумуляторных батарей без увеличения их емкости и веса.

Сегодня в той или иной степени все современные ноутбуки снабжены соответствующими средствами, обеспечивающими поддержку энергосберегающих технологий. Время автономной работы зависит от емкости аккумуляторной батареи (как правило, литий-ионной, обладающей высоким показателем емкость/вес), решаемых задач и используемых режимов. Обычно это время для сравнительно простых офисных задач лежит в диапазоне от полутора до примерно пяти часов, хотя встречаются модели и с более продолжительным временем автономной работы, достигающем, например, десяти часов.

Аналогичным образом обстоит дело и с весом. Он находится в диапазоне от  примерно 1,5 кГ до почти 4 кГ. На одном конце спектра находятся модели экономичных вариантов с небольшим жидкокристаллическим (ЖК) экраном размером по диагонали 10-12 дюймов, с аккумуляторной батареей небольшой емкости и ограниченным набором функций. На другом — мощные, компактные, мобильные мультимедийные станции с ЖК дисплеями (LCD), размер которых может достигать 17-18 дюймов.

Необходимо отметить, мощные модели ноутбуков в последнее время довольно часто позиционируются в качестве замены настольных компьютеров. Эти модели ноутбуков часто снабжены широкоформатным LCD с высоким разрешением, достигающим 1600х1200 пикселей, хотя много чаще встречаются модели со значениями 1280х800 пикселей. На таких мобильных компьютерах удобно и работать, выводя на экран несколько документов, и развлекаться, например, просматривать широкоформатные DVD, фильмы с видеокамеры, играть в разнообразные динамические и статические игры. При этом к ноутбуку можно подключать и внешний монитор через стандартный 15-контактный разъем VGA или телевизор — через разъем S-Video.

Фото 1. Мультимедийный ноутбук и основные разъемы (сверху вниз и слева направо представлены разъемы: внешнего монитора, S-Video, USB 2.0, модема/факса, локальной сети, IEEE 1394a, SPDIF и телефонов, линейного выхода, внешнего микрофона, карт-ридера)

Для расширения видеовозможностей мощные модели ноутбуков, в отличие от своих экономичных аналогов с интегрированными графическими средствами, имеют в своем составе высокопроизводительные  видеоадаптеры фирм ATI или NVIDIA, а также многофункциональные дисководы DVD/CD. Такие дисководы, как правило, способны не только воспроизводить, но и записывать информацию в разных форматах, для хранения программных файлов, видео и аудио.

Для поддержки аудиовозможностей в составе современных ноутбуков имеются и встроенные аудиосистемы, нередко многоканальные. Для  реализации всех достоинств, связанных с наличием нескольких звуковых каналов, целесообразно использовать внешний усилитель, подключаемый к ноутбуку через специальный разъем SPDIF. Нередко и собственные акустические возможности мощных, мобильных, мультимедийных устройств могут быть сравнительно неплохими. Для этой цели в подобных ноутбуках обычно используются два встроенных стереодинамика (существуют модели и с четырьмя), дополненные иногда малогабаритным, но сравнительно мощным динамиком-сабвуфером, обеспечивающим акустической системе повышенную отдачу на низких частотах. И, конечно, в таких моделях имеется выход на стереотелефоны. А в качестве дополнения к встроенному в конструкцию портативного компьютера микрофона обычно предусмотрен вход для внешнего еще более качественного и чувствительного микрофона.

Конечно, архитектура современных ноутбуков предусматривает возможность подключения различных периферийных устройств. Для этой цели используются специальные разъемы, реализующие различные интерфейсы. Это обычно USB 2.0 со скоростью передачи данных до 480 Мбит/с и IEEE 1394а со скоростью до 400 Мбит/с. Через эти разъемы, обычно 3 USB 2.0 и 1 IEEE 1394a, можно подключать внешние устройства. Это могут быть, например, внешние мобильные накопители на жестких магнитных или оптических дисках, брелоки флэш-памяти, цифровые фотоаппараты, видеокамеры, MP3-устройства, TV-тюнеры, контроллеры беспроводной передачи данных в инфракрасном диапазоне и радио, принтеры, сканеры и другие устройства. Нередко в состав ноутбуков встроены карт-ридеры, обеспечивающие работу с картами флэш-памяти SD/MS/MMC/MSPRO.

Однако необходимо отметить, что за широту функциональных возможностей приходится расплачиваться более высокими уровнями веса и энергопотребления. Чем больше встроенных контроллеров, тем выше вес и энергопотребление. Типичными цифрами для мощных, многофункциональных, мультимедийных ноутбуков являются 3 кГ и 3 часа автономной работы. Эти значения, кстати, являлись, практически, недостижимыми показателями для устройств, выпущенных всего несколько лет назад, не говоря уже о возросшей в несколько раз производительности и многократно расширенными функциональными возможностями.

Однако, несмотря на постоянно растущую вычислительную мощь, одиночные устройства не всегда способны эффективно решать стоящие перед ними задачи. Расширить  возможности можно за счет объединения их в сети. Именно поэтому важно наличие сетевых средства. Об их существовании легко догадаться по специальному разъему (RJ45), вынесенному в торец ноутбука. Еще один разъем — это разъем (RJ11) встроенного факс/модема, обеспечивающего как отправку электронной почты, так и выхода в Интернет. Оба эти разъема по конструкции очень похожи, хотя их назначение и отличается, что позволяет реализовывать разнообразные коммуникационные функции мобильных компьютеров.

Оценивая потенциальные возможности современных ноутбуков, необходимо отметить, что подавляющее количество (более 80%) моделей создано на основе процессоров и специализированных наборов микросхем поддержки (чипсетов) компании Intel. Конечно, на рынке присутствуют не только современные изделия, созданные на основе новейших разработок. Действительно, в продаже еще присутствуют ноутбуки с мобильным Intel Pentium III, однако только новейшие процессоры позволяют в полной мере воспользоваться преимуществами современных технологий и функций, например, эффективного энергосбережения.

И здесь имеются две возможности: или выбрать компьютеры с мобильными моделями  процессора Intel Pentium 4, или предпочесть варианты с Intel Pentium M. Первые обеспечивают высокий уровень производительности за счет очень высоких тактовых частот, вторые — в основном за счет особенностей особо спроектированной, более сложной внутренней архитектуры процессорного ядра и чипсета.

Расширяя возможности ноутбуков, специалистами корпорации Intel было предложено  комплексное решение, получившее наименование Intel Centrino. Компьютер с этой технологией имеет три составляющие: процессор Intel Pentium M, чипсет и встроенный модуль, реализующий технологию беспроводной передачи данных с помощью радио.

Применение мощного мобильного процессора Intel Pentium M позволяет сочетать высокие значения  энергоэкономичности и производительности. Это обеспечено оптимальной архитектурой процессорного ядра Banias (технология 130 нм) и его сменившего ядра Dothan (технология 90 нм).

Рассматривая особенности реализации архитектуры мобильных систем, необходимо отметить, что кроме мобильных процессоров и соответствующих чипсетов, некоторые производители наладили выпуск изделий, созданных на основе комплектующих настольных решений. Такие псевдомобильные компьютеры выпускаются исключительно для замены громоздких настольных систем. В данных компактных компьютерах активно используются высокопроизводительные процессоры IntelPentium 4 и настольные чипсеты. Для таких компактных решений создано даже специальное наименование: компьютеры класса «DeskNote. Часто они лишены  автономных источников питания. В тех же случаях, когда в архитектуре предусмотрены аккумуляторные батареи, время работы таких компьютеров составляет нередко менее одного часа. Связано это с невозможностью реализации энергосберегающих технологий, как, например, в ноутбуках с моделями мобильного процессора IntelPentium M.

Работа Intel Pentium M выполняется в нескольких частотных режимах с соответствующим изменением уровней напряжения питания ядра, что позволяет в несколько раз уменьшить энергопотребление. Частота, на которой работает процессор, автоматически меняется в зависимости от условий работы. Она снижается в случае выполнения простых задач и повышается при сложных. Кроме того, незадействованные элементы и подсистемы ядра процессора либо отключаются, либо находятся в спящем режиме с минимальным энергопотреблении. Такая тактика сохраняет значительную долю энергии аккумулятора и обеспечивает увеличение времени автономной работы. 

Экономичному функционированию помогают микросхемы чипсета. Они обеспечивают оптимальные режимы работы поддерживаемого ими мобильного процессора и организует совместную работу подсистем ноутбука. Эти микросхемы специально разработаны для мобильных решений и предусматривают использование высокопроизводительной оперативной памяти DDR SDRAM. Кстати, элементы памяти и даже жидко-кристаллическая матрица встроенного монитора также как и процессор работают в энергосберегающих режимах, поддерживающих специальные технологии. В результате их реализации в каждый момент времени активно функционируют только задействованные элементы, остальные же находятся в спящем режиме при минимальном энергопотреблении.

Для рынка бюджетных ноутбуков компания Intel выпустила сравнительно дешевые мобильные процессоры Intel Celeron M. Их архитектура практически повторяет Intel Pentium M и отличается в два раза меньшим объемом внутренней памяти (процессорной кэш-памяти L2) и отсутствием поддержки ряда технологий энергосбережения. В результате системы, созданные на основе Intel Celeron M, сохраняют многие достоинства своего старшего прототипа, однако отличаются меньшей производительностью и меньшим временем автономной работы, но и меньшей ценой. Кстати, такие ноутбуки по определению не могут иметь на корпусе наклейку «Centrino».

Что же касается модулей, осуществляющих беспроводную передачу данных в радиодиапазоне и известных как Wi-Fi, то они удовлетворяют стандартам IEEE 802.11b (до 11 Мбит/с, реально 3-5 Мбит/с) и  IEEE 802.11g (до 54 Мбит/с, реально 10-20 Мбит/с).  Внутри компьютеров с технологией Intel Centrino такие модули представлены соответствующими аппаратно-программными средствами Integrated Wireless LAN (WLAN): Intel PRO/Wireless LAN 2100 и Intel PRO/Wireless 2200 BG, реализующими интерфейс Wi-Fi стандартов IEEE 802.11b и IEEE 802.11b/g.  

Через эти беспроводные средства возможен доступ в Интернет, но только в зоне наличия специальных точек «горячего» доступа (Hot Spot). Устойчивая связь обычно доступна на дистанции в несколько десятков метров, а на открытом пространстве — до ста метров.

Остается добавить, что реализация всех перечисленных возможностей объясняет популярность Intel Centrino. Эта трехкомпонентная разработка продолжает развиваться в новых моделях процессоров, чипсетов и модулей Wi-Fi, нашедших свое воплощение в перспективной платформе Sonoma, которую ошибочно называемой Intel Centrino 2.

В качестве ответного шага конкуренты предлагают свои альтернативные решения. Однако до последнего времени альтернативные системы все-таки сильно уступали в производительности и времени автономной работы. Так было, по крайней мере, до  появления новейших разработок компании AMD, связанных с архитектурой 64-разрядных вычислений AMD64. Ее мобильные процессоры и перспективные технологии, такие как AMD Turion 64, обеспечивают высокую производительность и энергоэкономичность, соизмеримые с компонентами Intel Centrino.

Оценивая изделия от Intel и AMD, необходимо отметить продукцию компаний VIA и Transmeta, производящих свои собственные процессоры. Их поддержку, как и процессоры лидеров, обеспечивают мобильные чипсеты компаний VIA, SiS, ULi, ATI, NVIDIA. К сожалению, функциональные возможности упомянутых компонентов уступают изделиям от Intel и AMD. Однако они значительно дешевле, что обеспечивает им свои, сравнительно небольшие доли рынка: процессоры — 1­%, чипсеты — 25‑30%.

Конечно, имеются еще решения, созданные на основе RISC-процессоров, например, ноутбуки Apple с процессорами IBM. Но они сравнительно дороги и их доля в общей массе незначительна.

Что же касается ближайших перспектив, то в настоящее время наиболее совершенные и популярные мобильные процессоры Intel, занимающие более 80% рынка, представлены изделиями, созданными на основе ядра Dothan по технологии 90 нм. Однако уже к концу 2005 года запланирован выпуск процессора, обладающего уже двумя вычислительными ядрами и кэш-памятью значительно большей емкости.

Это изделие от Intel получило наименование Jonah. В дальнейшем, как это следует из материалов IDF 2004-2005, на его основе планируется выпуск изделий следующего поколения многоядерных процессоров — Merom и Conroe. Они будут созданы по технологии 65 нм, и их появление на компьютерном рынке ожидается в 2006 году. Эти процессоры будут обладать двумя, а возможно и большим числом ядер, 4 Мбайт кэш-памяти L2, поддержкой 64-битных расширений и технологий эффективного аппаратного шифрования LaGrande. В дальнейшем к 32-битной архитектуре добавятся расширенные возможности аппаратной реализации 64-разрядных вычислений.

Конечно, все эти процессоры для реализации своих возможностей потребуют соответствующих микросхем окружения, которые бессомнения будут созданы. С большой степенью вероятности основой послужат будущие настольные решения.

Получат дальнейшее развитие и беспроводные средства передачи данных. Как ожидается, уже в ближайшие два-три года место популярного Wi-Fi постепенно займет более совершенный WIMAX, в результате чего в несколько раз возрастут дальность, надежность и скорость передачи данных. Традиционный USB будет потеснен беспроводным аналогом, обеспечивающим скорость связи до 0,5 Гбит/с на расстоянии в пределах трех метров.

Что же касается автономных источников питания, то их перспективы не столь оптимистичны, хотя и здесь прогресс налицо. Несмотря на развитие топливных элементов на основе окисления метанола (метилового спирта), доминирующую роль продолжают играть перезаряжаемые батареи. На IDF 2005 инженеры Intel продемонстрировали аккумуляторы, обеспечивающие на 30% больше энергии по сравнению с традиционными аналогами. Прирост получен за счет большей плотности накопленной энергии и более глубокого разряда.

Оценивая все перечисленные планы Intel, необходимо отметить, что, по всей видимости, конкуренты этой компании не останутся в стороне от научно-технического прогресса. Бессомнения они предложат свои варианты систем. И можно утверждать, что пользователи от этого только выиграют, получив большее разнообразие решений за приемлемые цены.