シングルボードコンピュータ

シングルボードコンピュータ( SBC ) は、マイクロプロセッサ、メモリ、入出力(I/O)、および機能的なコンピュータに必要なその他の機能を備えた、単一の回路基板上に構築された完全なコンピュータです。シングルボードコンピュータは、通常、デモンストレーションまたは開発システム、教育システム、または組み込みコンピュータコントローラとして使用するために作られています。多くの種類の家庭用コンピュータやポータブルコンピュータでは、すべての機能が単一のプリント回路基板に統合されています。

デスクトップパーソナル コンピュータとは異なり、シングル ボード コンピュータは、周辺機能や拡張のために拡張スロットに依存しないことがよくあります。シングル ボード コンピュータは、さまざまなマイクロプロセッサを使用して構築されています。コンピュータ愛好家が構築するような単純な設計では、静的 RAMとARMなどの低コストの32 ビットまたは64 ビットプロセッサがよく使用されます。ブレード サーバーなどの他のタイプは、よりコンパクトな形式で、 サーバーコンピュータと同様に機能します。

コンピュータオンモジュールは、システム拡張のためにキャリアボード、ベースボード、またはバックプレーンにプラグインするように作られたシングルボードコンピュータの一種です。^{[2] [3]}

最初の真のシングルボードコンピュータは、Intel C8080Aをベースにしており、Intel の最初のEPROM であるC1702A も使用していました。「dyna-micro」と呼ばれるこのマシンの回路図は、1976 年 5 月にRadio-Electronics誌に掲載されました。その年の後半、コネチカット州ダービーに拠点を置くコンピュータ製造業者である E&L Instruments によってシステムの生産が開始され、同社はこのシステムを「Mini Micro Designer 1」と名付け、電子製品の試作用のプログラム可能なマイクロコントローラとして使用することを意図しました。^{[4] [5]} MMD-1 は、当時人気のあった 8080 命令シリーズのマイクロコンピュータの例として有名になりました。 ^[6]

初期のシングルボードコンピュータは、やはりAcornが開発したAcorn ElectronやBBC Microなど、ホームコンピュータの初期の歴史で重要な役割を果たしました。KIM-1などの他の典型的な初期のシングルボードコンピュータは、筐体なしで出荷されることが多く、所有者が追加する必要がありました。他の初期の例としては、Ferguson Big Board、Ampro Little Board、^[7]、Nascomなどがあります。1980年代の多くのホームコンピュータはシングルボードコンピュータであり、アップグレードしたコンポーネントをボード上のマークされたポイントに直接はんだ付けすることを所有者に推奨するものもありました。

PC が普及するにつれ、SBC は拡張性の低さから市場シェアを低下させました。1990年代に周辺機器に関する IBM 規格が急速に採用され、 PCIバスが標準化されたことで、マザーボードや互換コンポーネント、周辺機器が安価で普及する一方、 CD-ROMやSound Blasterカードなどのマルチメディア プラットフォームの開発が、ユーザーがパーソナル コンピュータを買い換えるペースを急速に上回り始めました。この 2 つの傾向により、シングル ボード コンピュータは普及せず、代わりにマザーボードが普及しました。マザーボードには通常、 CPUやその他のコア コンポーネントが搭載され、ハード ディスク ドライブ コントローラやグラフィック プロセッサなどの周辺コンポーネント、さらにはRAMモジュールなどのコア コンポーネントの一部がドーターボードに配置されました。

2000年代には、コンピュータのボード数が少なくなり始めました。USBなどの新しい規格により、マザーボードがサポートすることが期待される周辺機器規格の種類が大幅に減少したため、集積回路製造の進歩により、多くのドーターボード、特にI/Oの機能を1つのチップで提供できる新しいチップセットが提供されました。10年後には、PCマザーボードは、IDE、SATA、NVMe、RAID、統合GPU、イーサネットなどのディスクドライブと、シリアルポートやパラレルポート、USB 、キーボード/マウスサポートなどの従来のI/Oのオンボードサポートを提供しました。プラグイン「カード」は、物理的に大きく複雑なグラフィックスコプロセッサ、ハイエンドのRAIDコントローラ、データ収集ボードやDSPボードなどの特殊なI/Oカードなど、高性能コンポーネントとしての重要性を維持しました。

2010 年代は、シングルボードコンピュータが急速かつ持続的に成長した時代でした。これは主に、集積回路製造技術の進歩によって可能になったもので、マザーボードのコアコンポーネントのほとんどまたはすべてを単一の集積回路ダイに組み込むことが初めて可能になりました。この 10 年間で最もよく知られたシングルボードコンピュータの 1 つがRaspberry Piで、オープンソースドライバーを備えたカスタムBroadcom SoC を中心に構築されました。もともと教育用に設計された Raspberry Pi は、最適化されたLinuxサポートやプログラム可能なGPIOピンなど、多くの機能を備えており、愛好家にも非常に魅力的でした。愛好家は、Pi やその他の同等の SBC を使用して、ホームオートメーション、ビデオゲームエミュレーション、メディアストリーミング、その他の実験などのプロジェクトを行いました。^{[8]産業界では、}スマートフォンやその他の小型デバイスの急速な成長により、ハードウェアメーカーはSoCの使用頻度を高め、マザーボードのサイズ、拡張性、複雑さを軽減する方向に進みました。一方、モノのインターネットの普及により、従来とは異なるデバイスがインターネットにアクセスできるようにする小型で安価なコンポーネントの需要が高まりました。これらの要因の両方により、10年間でシングルボードコンピュータの生産が劇的に増加しました。

2010年代末から2020年代初頭にかけて、スマートフォン、タブレットPC、ノートパソコン、その他のスマートデバイスを含む多くのデバイスは、高度なSoC（System on a Chip）を活用したシングルボードコンピュータで動作するようになりました。これによりパフォーマンスと電力効率が大幅に向上しましたが、シングルボードコンピュータ、特にSoCを中心に構築されたコンピュータは修理が難しく、メーカーがボードにプログラムした命令を監視したり変更したりする試みに対して耐性が低い可能性があるという懸念が生じています。^[9]

シングルボードコンピュータは、集積回路の密度を高めることで可能になりました。シングルボード構成では、必要な回路基板の数を減らし、コネクタやバスドライバ回路をなくすことで、システム全体のコストを削減できます。すべての機能を1つのボードにまとめることで、たとえばノートパソコンのように、システム全体を小型化できます。コネクタは信頼性の問題の原因となることが多いため、シングルボードシステムではこれらの問題が解消されます。^[10]

現在、シングルボード コンピューターは、スロットなしとスロット サポートという 2 つの異なるアーキテクチャで一般的に定義されています。

組み込みSBC は、プラグイン カードを用意せずに必要なすべての I/O を提供するユニットです。アプリケーションは、通常、ゲーム(スロット マシン、ビデオ ポーカー)、キオスク、および機械制御オートメーションです。組み込み SBC は、PC に搭載されているATX タイプのマザーボードよりもはるかに小さく、オンボードのデジタルおよびアナログ I/O、オンボードのブート可能なフラッシュ メモリ(ディスク ドライブが不要)、ビデオなしなど 、産業用アプリケーションに重点を置いた I/O ミックスを提供します。

現在、シングルボード コンピュータという用語は、シングルボード コンピュータがバックプレーンに接続され、I/O カードを提供するアーキテクチャに一般的に適用されています。PC104の場合、バスは従来の意味でのバックプレーンではなく、I/O ボードを積み重ねることができる一連のピン コネクタです。

シングルボードコンピュータは、ラックマウント形式でプロセス制御に使用されたり、他のデバイスに組み込まれて制御やインターフェースを提供したりと、産業用途で最も一般的に使用されています。深海探査ではALICE深海探査機、宇宙ではアリアンロケットやペガサスロケット、スペースシャトルに使用されています。^[11]非常に高いレベルの統合、部品数やコネクタ数の削減により、SBCは同等のマルチボードコンピュータよりも小型、軽量、電力効率が高く、信頼性が高いことがよくあります。^[12]

SBC と比較した ATX マザーボードの主な利点はコストです。マザーボードは消費者市場とオフィス市場向けに何百万個も製造されており、膨大な規模の経済性を実現しています。シングルボード コンピューターはニッチ市場であり、製造頻度は低く、コストも高くなります。現在、マザーボードと SBC は同様のレベルの機能統合を提供しているため、どちらの規格でもマザーボードに障害が発生した場合は同等の交換が必要になります。

シングルボードコンピュータには、Raspberry Pi、BeagleBoard、Nano Piなどがある。^{[13] [14] [15]}

シングルボードコンピュータの一般的な種類の 1 つは、バックプレーンエンクロージャで使用することを目的とした標準化されたコンピュータ フォーム ファクタを使用しています。これらのタイプには、CompactPCI、PXI、VMEbus、VXI、およびPICMGなどがあります。 SBC は、 Intelアーキテクチャ、マルチプロセッシングアーキテクチャ、RISCやSPARCなどの低電力処理システムなど、さまざまな内部処理構造に基づいて構築されてきました。 Intel PC の世界では、インテリジェンスとインターフェイス/制御回路はプラグイン ボード上に配置され、その後、パッシブ (またはアクティブ) バックプレーンに挿入されます。結果は、バックプレーンによってスロット構成が決定されることを除けば、マザーボードを使用してシステムを構築するのと似ています。 バックプレーンは、スロット ( ISA、 PCI、PCI-X、PCI-Expressなど)の組み合わせで使用でき、通常は合計 20 個以下であるため、19 インチ ラックマウント エンクロージャ ( 17 インチ幅のシャーシ) に収まります。

一部のシングルボードコンピュータには、従来のバックプレーンを使用せずに、それぞれに拡張ハードウェアを含む回路基板のスタックを組み立てることができるコネクタが付いています。 スタック型 SBC フォームファクタの例には、PC/104、PC/104- Plus、PCI-104、EPIC、EBX などがあります。これらのシステムは、組み込み制御システムで一般的に使用できます。

スタック型 SBC では、多くの場合、 SIMMやDIMMなどのプラグカードにメモリが搭載されています。ハード ドライブ回路基板も、コンピューターが SBC であるかどうかを判断する際に考慮されません。その理由は 2 つあります。1 つ目は、HDD が単一のブロック ストレージ ユニットと見なされること、2 つ目は、ほとんどの SBC がネットワーク接続から起動できるため、ハード ドライブがまったく必要ない可能性があることです。

• 高度なTCA
• コンパクトPCI
• 組み込みコンパクト拡張(ECX)
• ミニITX
• マルチバス
• PC/104
• PICMG
• ピコITX
• ピクセ
• Qセブン
• VMEバス
• ＶＰＸ
• 8XI の
• 96 ボード(CE、EE、EETV、IE)

• ビーボード
• モジュール上のコンピュータ
• 組み込みシステム
• マザーボード
• コンピュータを接続する
• シングルボードマイクロコントローラ
• システムオンチップ
• オープンソースコンピューティングハードウェアのリスト

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