Especificacion de hardware

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Detalles del hardware para la OLPC, 30 de Noviembre, 2006

Extracto de un documento escrito por Michael Bove y Jim Gettys.

Primera Generación del Sistema

Sistemas BTest-1

Aproximadamente 875 sistemas fueron ensamblados por Quanta y están siendo distribuidos. Son máquinas totalmente funcionales pero armadas antes de las rigurosas pruebas actuales. Mucha más información acerca de los sistemas BTest-1 se puede encontrar en los BTest-1 Release Notes. Algunos de los detalles del diseño del hardware fueron hechos para soportar las Guías de Interface Humana (en inglés).

Especificaciones

Dimensiones físicas:

• Dimensiones: 193mm × 229mm × 64mm (al [3/27/06]—sujeto a cambios)
• Peso: Menor a 1.5 Kg (como objetivo—sujeto a cambios)
• Configuración: Laptop convertible con pantalla pivotante y reversible; cierres resistentes al polvo y humedad

Electrónica central:

• CPU: AMD Geode GX-500@1.0W(especificaciones)
• CPU velocidad: 366 MHz
• Compatibilidad: X86/X87-compatible
• Chipset: AMD CS5536 South Bridge (especificaciones)
• Controlador Gráfico: Integrado en el CPU Geode; arquitectura de memoria unificada
• Controlador Embarcado (para producción), ENE KB3700: File:KB3700-ds-01.pdf
• Memoria DRAM: 128 MiB RAM dinámica
• Data rate: Dual – DDR266 – 133 MHz
• BIOS: 1024KB SPI-interface flash ROM; LinuxBIOS open-source BIOS; Open Firmware bootloader
• Almacenamiento central: 512 MiB SLC NAND flash, high speed flash controller
• Discos: Sin almacenamiento rotativo

Pantalla:

• Pantalla de cristal liquido (LCD): 7.5” (19.05 cm) Dual-mode TFT display
• Area visible: 152.4 mm × 114.3 mm
• Resolución: 1200 (H) × 900 (V) resolución (200 dpi)
• Pantalla Blanco/Negro: Alta resolución, modo monocromático reflectivo
• Pantalla Color: Resolución estándar, muestreo quincunx, modo color transmisivo
• 

  eToys (Squeak) corriendo en la pantalla OLPC
  Circuito especial "DCON", que permite el deswizzling y anti-aliasing en modo color, permitiendo que a la pantalla permanecer activa con el procesador suspendido. Dado que siempre estaremos corriendo el buffer de cuadros a una resolución de 1200x900, en modo color la resolución sera menor, pero cómo se traduce esto en la resolución efectiva es muy complejo. Mary Lou Jepsen esta planeando escribir un documento para explicar la resolución efectiva, que es mayor a si simplemente redujéramos el tamaño de buffer de cuadros y usáramos los canales rojo, verde y azul. Más fácil, y convincente, sería medirlo con los patrones de pruebas apropiados; por el momento, pueden examinar esta fotografía de la pantalla (se ve aún mejor en persona; tomar una foto de una pantalla es particularmente difícil).

Periféricos integrados:

• Teclado: 70+ teclas, recorrido de 1.2mm; sellados por una membrana de goma, ensamblaje tecla-switch
  • Diagramación de los Teclados
  • Imágenes de los diagramas - Internacional EEUU, Tailandés, Arábigo, Español AR, Portugués BR, Nigeria
• Teclas de Cursor: ensamble de cinco teclas para el cursor; cuatro direccionales más 'enter'
• Touchpad: Dual capacitance/resistive touchpad; soporta modo de entrada de escritura
• Audio: Analog Devices AD1888, codec de audio compatible con AC97; estéreo, con dos parlantes internos; monofónico, con micrófono interno y usando un Analog Devices SSM2211 para amplificación de audio
• Inalámbrica: Marvell 88W8388, compatible con 802.11b/g; antenas dobles coaxiales ajustable y giratorias, soporta recepción de diversidad (diversity)
• Indicadores de estado: Prendido, batería, WiFi; visibles con la tapa abierta o cerrada
• Cámara de video: resolución 640x480, 30CPS (cuadros por segundo - FPS / frames per second)

Conectores externos:

• Alimentación: entrada Corriente Directa (DC) de 2 contactos, 10 a 25 V, -23 a -10 V
• Linea de salida: Conector estándar de 3.5mm, estéreo de 3 contactos
• Micrófono: Conector estándar de 3.5mm, mono de 2 contactos; configurable a modo de sensor de entrada
• Expansión: 3 conectores USB-2.0 Tipo-A; slot para SD-Card
• Potencia máxima: 500 mA (total)

Batería:

• Tipo de empaque: Configuración de 5 celdas, 6V en serie
• Empaque sellado "duro/rígido"; removible por el usuario
• Capacidad: 22.8 Watt-horas
• Tipo de celda: NiMH
• Protección del empaque: Identificación integrada 'pack-type'
• Sensor térmico integrado
• Fusible polivalente limitador de corriente integrado {Integrated polyfuse current limiter}
• Ciclo de vida: Mínimo 2,000 ciclos de carga/descarga (hasta 50% de la capacidad de una nueva, IIRC).
• Administrador de Energía sera crítico

BIOS/cargador:

• LinuxBIOS es la BIOS para las unidades de producción; Open Firmware es usado como el cargador.

Especificaciones ambientales:

• Temperatura: en algún punto entre los requerimientos típicos de una laptop civil y militar; los valores exactos no han sido fijados
• Humedad: Postura similar a la de temperatura. Cerrada, la unidad debería estar lo suficientemente sellada para que un chico caminando a la escuela no tenga por que preocuparse de la lluvia o el polvo.
• Altura máxima: -15m a 3048m (14.7 a 10.1 psia) (1013.25 a 696.4 hPa) (operando), -15m a 12192m (14.7 a 4.4 psia) (1013.25 a 303.4 hPa) (no-operativo)
• Impacto 125g, 2ms, medio-seno (operando) 200g, 2ms, medio-seno (no-operativo)
• Vibración aleatoria: 0.75g cero-a-pico, 10Hz a 500Hz, 0.25 oct/min ritmo de barrido (operando); 1.5g cero-a-pico, 10Hz a 500Hz, 0.5 oct/min ritmo de barrido (no-operativo)
• Carcasa plástica de 2mm de espesor (1.3mm es lo típico).

Requerimientos regulatorios:

• Los típicos requerimientos de EEUU y la UE sobre EMI/EMC (Interferencia y Compatibilidad Electro Magnética) serán respetados.
• La laptop y todos los accesorios provistos por la OLPC serán totalmente conformes con las normas UL y RoHS.

Que hace a este sistema único?

Cuales serian las características que uno desearía para chicos en edad escolar entre 6 y 18 años? Gran parte de esos chicos se encuentran en áreas del tercer-mundo donde no hay electricidad en los hogares, y muchas veces tampoco en las escuelas, con lo cual para muchos chicos una computadora de bajo consumo, probablemente capaz de ser alimentada manualmente no es una conveniencia, sino mas bien una necesidad. La educación muy probablemente sea al aire libre, y aun cuando los chicos estén en sus hogares, es probable que no estén encerrados donde las pantallas LCD convencionales son utilizables. Los chicos usualmente caminan desde y hacia la escuela a diario; librados a las inclemencias del tiempo, de modo que la lluvia, tierra y polvo son comunes. Y si hemos de llevar computadoras con su enorme poder en ayuda de la educación de los chicos, el costo es una consideración importante.

El diseño de la OLPC refleja dichas realidades, gracias al trabajo de nuestro equipo de desarrollo, que incluye al personal de la OLPC, así como también Quanta Computer, Fuse Project, Design Continuum, miembros del MIT Media Lab, colegas y amigos. También refleja el esfuerzo de que puede y que debería hacerse para lograr que los chicos obtengan la mejor herramienta educativa posible, y refleja décadas de experiencia de campo en el uso de computadoras por parte de los chicos en países en vías de desarrollo. Nuestras gracias a todos.

• El tamaño es para chicos, que dado su tamaño, estarán mas cercano a la pantalla que un adulto con una laptop convencional. El sistema será mucho más ligero que una máquina convencional, (en principio menor a 1.5Kg), y su diseño es bastante distinto que el de una laptop comercial "negra/gris/blanca".
• Diseño amistoso y colorido; Visualmente distinta: es para chicos! Se la reconoce inmediatamente como "una máquina para chicos".
• La seguridad primero: bordes suaves y redondeados.
• Posee una manija para su fácil transporte, por y para chicos. Esto refleja la necesidad de los chicos que caminan desde y hacia la escuela y otras actividades.
• Bisagra "transformante": en modo E-Book para una lectura cómoda, y un modo convencional como laptop. Se pliega de modo tal que se convierte en un libro (con dimensiones similares), y posee botones específicos para controlar la lectura (o juegos).
• La pantalla puede estar prendida en tanto que la CPU y la mayor parte de los componentes se encuentran suspendidos o apagados mientras la pantalla es leída o la máquina se encuentra 'libre', permitiendo así un ahorro energético importante en tareas habituales tales como puede ser leer un libro.
• El refresco de la pantalla puede ser variado. Si la imagen en la pantalla no cambia, se puede reducir el ritmo de refresco de la pantalla LCD para así conservar energía.
• Red inalámbrica en malla: Chicos compartiendo! Las laptops OLPC funcionan como ruteadores inalámbricos continuamente. Las redes en malla reducen la necesidad de infraestructura dedicada (ej: puntos de acceso y/o cableado), y extienden enormemente el área en la cual las máquinas se pueden conectar entre ellas y/o la internet.
• Las antenas inalámbrica funcionan en modo de diversidad, y rotan hacia arriba usando un diseño especial que le que permiten funcionar mucho mejor que las antenas que se pueden encontrar en sistemas existentes o tarjetas Cardbus. Esto aumenta significativamente el área que cada máquina cubre en la malla, y generalmente aumenta el rendimiento de la red. Cuando están cerradas, las antenas cubren los conectores de audio y USB, permitiendo así proteger la laptop del polvo (como fue mencionado anteriormente, la carcasa ha sido diseña cuidadosamente para aumentar su resistencia y mantener la tierra y agua fuera). Según mediciones iniciales y como consecuencia del esmero con el cual se trabajo sobre los componentes de radio, el resultado ha sido un nivel de ruido por debajo del visto por Marvell en cualquiera de sus propios diseños. Es de esperar que la red 802.11 de éste sistema será muy superior al de un sistema convencional.
• El chip Marvell inalámbrico permite que los paquetes de la red en malla sean pasados aún con la CPU suspendida, activándose de ser necesario. Dado que la red-en-malla es tan importante queremos que las laptops sean capaces de participar en ella constantemente de modo tal que el ruteo de paquetes sea los mas eficiente posible, y suspendiendo al procesador aumentamos el tiempo activo en la red en 3-4 veces. De ser necesario, el chico puede deshabilitar la red inalámbrica para preservar la carga de la batería; reduciendo la efectividad de la red.
• La máquina es resistente. Las fallas más usuales en las laptops son los discos rígidos, los ventiladores, la iluminación fluorescente, los conectores de energía, otros conectores, y contaminación del teclado. Nuestra máquina usa memoria flash, eliminando los discos, no necesita ventilador, usa LEDs como fuente de iluminación en vez de fluorescente, y tiene un teclado sellado. Tiene una carcasa plástica de 2.0mm, cuando lo típico es de 1.3mm. Los conectores externos han sido cuidadosamente moldeados en el plástico para mayor durabilidad. El conector de alimentación de energía ha sido cuidadosamente seleccionado para ser más durable que lo habitual, y nuevamente, la carcasa fue cuidadosamente moldeada a su alrededor para mayor resistencia. Hay muy pocos conectores en la máquina, básicamente conectando el teclado a la placa madre (que se encuentra detrás de la pantalla LCD). Esto elimina la mayor parte de los cables que se encuentran en la mayoría de las laptops. Este otoño (Sep.2006) someteremos 500 sistemas a pruebas destructivas para identificar cualquier aspecto posible para aumentar su durabilidad. La pantalla tiene paragolpes internos como protección, y estamos explorando paragolpes externos para aumentar aún más la protección contra golpes.
• Adicionalmente, el diseño nos permitió conectar directamente la salida de video del chip DCON a la pantalla LCD, redundando en un menor consumo.
• Con estas capacidades en el manejo de energía, se espera que el consumo promedio sea lo suficientemente bajo (aproximadamente 1-1.5 watts en muchos escenarios de uso) para que si es necesario un chico pueda generar suficiente energía para su laptop, obteniendo una buena proporción entre "trabajo" y "aprendizaje". Un chico pequeño puede generar entre 5-10 watts; uno más grande un poco mas. En comparación, una laptop convencional consume como mínimo 20 watts, aún sin hacer nada.
• El diseño incluye una pequeña pestaña que ayuda a mantener cerrada la laptop. Si bien no es a prueba de agua, esperamos que el agua no sea un problema mientras la máquina está siendo llevada en las manos o mochila de un chico bajo la lluvia.
• El teclado es un teclado de membrana, muy agradable al tacto (y continuamos trabajando en mejorarlo). Esto hace al teclado mucho mas resistente al agua y polvo, permitiéndonos sellar el teclado a la base de la máquina. El teclado se conecta por medio de una interface PS/2 para ahorrar energía. Menor espacio entre tecla para manos pequeñas. Y una sensibilidad de 40 gramos, menor a la de teclados normales.
• Un novedoso 'touchpad' doble-ancho y doble-propósito, con doble tecnología de sensores. Soporta control de cursor, más dibujo y escritura. Se pueden usar los dedos, un lápiz, lapicera, o estilo...
• Doble control de cursor con botones (y enter)
• Micrófono interno, con conector de entrada. Modo de "sensor de entrada" especial. El codec de audio puede ser usado en un modo donde las mediciones directas del voltaje pueden ser usadas, permitiendo al chico aprender sobre la temperatura, el voltaje, y muchos otros fenómenos físicos sin requerir ningún adaptador externo. Las posibilidades educativas sólo son limitadas por su imaginación.
• Sonido estéreo con parlantes estéreo internos; conector de salida estéreo.
• Hay tres conectores USB 2.0; permitiendo muchas expansiones posibles.
• La fuente de poder tolera casi cualquier voltaje que se pueda tener a mano para cargarla, ya sea un generador humano o la batería de un auto o camión; la polaridad no es problema, evitando accidentes que podrían dañar la máquina.
• Se eligió usar baterías NiMH ya que permiten una alta eficiencia de carga (las baterías LiION requieren un cuidadoso control de los voltajes de carga, de modo tal que cualquier voltaje por encima deberá ser cortado y la energía desperdiciada). Mejor aún, las baterías NiMH no tienen problemas de seguridad (las baterías LiION, cuando fallan, pueden fallar quemándose a temperaturas extremadamente altas). Y las baterías LiION deben ser recicladas cuidadosamente. Las baterías NiMH no plantean problemas ambientales.
• Electrónica y procesador energéticamente eficientes. Consumen 1/10 de la energía de una laptop "normal".
• Batería de larga vida == mayor utilidad. Bajo un uso típico, la computadora debería durar todo el día escolar sin necesitar recargarse. Evitar distracciones en el aula, y/o la necesidad de cableado (o uso de generadores) en el aula para energía es muy importante.
• Baterías removibles, que son mucho más baratas que las de LiION convencional. Esto permite un fácil recambio de baterías de modo tal que mientras se usa una, la otra se puede recargar.
• Esmero y cuidado en temas ambientales, sin materiales peligrosos, totalmente conforme con normas RoHS (Reduction of Hazardous Materials / Reducción de Materiales Peligrosos).

Visto lo anterior, se puede ver que esto es un novedoso sistema cuidadosamente diseñado capaz de resolver los retos y desafíos mencionados al principio, y no una típica "laptop" bajo cualquier punto de vista.

Donde esta la Manivela? (se preguntarán...) La energía manual aun es un prioridad del programa! El interior de la laptop no es necesariamente el mejor lugar ya que la energía manual no siempre es necesaria. La energía manual resiente los materiales. La manija es un gran símbolo, pero no el más eficiente al momento de generación. Estamos realizando estudios sobre el movimiento humano: las piernas son mucho mas poderosas que los brazos, pero los brazos estarían libres mientras se camina a la escuela. Los adaptadores de corriente alterna ya están en el suelo y piso. Muchos tipos de generadores están en desarrollo, incluyendo uno con un adaptador de corriente alterna integrado. Más libertad de movimiento permitirá una generación óptima de energía.

Fotos de la Electrónica del Prototipo ATest

El encendido de las primeras placas prototípicas de la OLPC ocurrió el 15 de abril del 2006. Pruebas eléctricas y de tierra continuaron durante el fin de semana, y el debuggeo formal y activación de la BIOS comenzaron el lunes 17 de abril del 2006 en los laboratorios en Taipei de Quanta Computer. Para el miércoles 19 de abril, Linux estaba siendo cargado en los prototipos de primera generación.

• Lado de componentes de la placa OLPC
• Reverso de la placa OLPC
• Foto de Linux corriendo en una placa en el laboratorio
• Foto de la pantalla de Linux corriendo sobre una placa OLPC; como corresponde, muestra un sistema en Chino

B-Test

Un reducido número de placas pre-BTest fueron construidas para preparar el armado completo de sistemas BTest. Información para desarrolladores sobre placas B-Test.

Sistemas BTest Posteriores

Varios ensambles más de los sistemas beta están programados para después de fin de año.

Proceso de Diseño de Hardware

Diseñar hardware es mucho mas restrictivo que software; si bien se puede tener una gran influencia en el diseño de un chip varios meses antes de su disponibilidad, solamente se pueden usar chips que puedan obtenerse en los volúmenes requeridos a precios asequibles. Un único componente que falte, o un componente no disponible en las cantidades necesarias, puede arruinar la producción. La comunidad del software, acostumbrada a una mayor flexibilidad y habilidad para modificar diseños y producir infinitas copias, encuentran este concepto difícil de asimilar.

El diseñar hardware es similar al de hacer salchichas: siempre se pueden criar/crecer nuevos ingredientes si se empieza con tiempo y uno es amable con los granjeros (diseñadores de chips). Pero solo se puede hacer tu salchicha, con los ingredientes requeridos por tu receta que efectivamente se puedan comprar en los volúmenes necesarios. A veces se puede sustituir un ingrediente sin arruinar la receta, otras, el resultado sera incomible. En nuestro caso, solamente tenemos el chip que Mark Foster esta especificando, localizada entre la CPU y la pantalla, y sobre la cual tenemos un amplio control.

Si desea interiorizarse con éste proceso, se pueden fijar en las viejas versiones de esta pagina en inglés en el wiki.

Manufactura y Diseño en Grandes Volúmenes

En la actualidad, la producción en grandes volúmenes es un negocio altamente especializado, y es frecuente que sea hecho conjuntamente con la organización/compañía que específica lo que el hardware debería hacer—frecuentemente seleccionando componentes primarios y secundarios—y un ODM (Original Device Manufacturer / fabricante del dispositivo original), que se especializa en el diseño de grandes volúmenes y producción. El ODM usualmente hace el diseño detallado para la producción; ej: especifica exactamente la parte a usar si es que existen variantes, esquemas, disposición, ruteo de placas, diseño mecánico, testeo, debuggeo para producción, logística, y producción de los bienes terminados.

En el caso de la OLPC, el ODM es Quanta, como fue anunciado a mediados de Diciembre (2005). Hay una buena probabilidad que su laptop haya sido manufacturada por Quanta, liderada por Barry Lam, es probablemente la compañía mas grande que poca gente conoce. Quanta fabrica mas laptops que cualquier en el mundo (casi 1/3 de la producción global), aun si su marca es HP o Apple u otra. El diseño detallado del primer diseño de la OLPC de producción está recién comenzando, aún si la OLPC ha investigado (y continúa investigando) los posibles componentes y otras concesiones de diseño.

Cabe notar que el fabricante del CPU generalmente provee muestras, placas de desarrollo y notas, que frecuentemente son utilizables de por si, aunque incluyan interfaces o hardware que uno no elegiría para la producción final. Esto permite ver como sus productos pueden "ser incluidos" en productos reales. El prototipo mostrado en Túnez usaba una placa "Rumba" de AMD. Se aproxima bastante al hardware de la primera OLPC, aunque usaba un disco convencional en vez de flash NAND, y tenía componentes que no serán usados (ej: ethernet), y ese modelo conceptual (pero funcional) carecía de pantalla mas barata que esta siendo desarrollada.

Los diagramas y esquemas detallados de los diseños de prueba de AMD generalmente están disponible en su programa de desarrolladores. Si le interesan los detalles de los diseños exactos del hardware que se pueden obtener para su experimentación, estos programas les pueden ser útiles, y generalmente se puede comprar dicho material de prueba. Por otro lado, la mayor parte de la información requerida para programar los dispositivos, es totalmente libre y se encuentra en los sitios web del fabricante con especificaciones totalmente públicas.

En colaboración con los ODMs, dichos diseños de prueba generalmente pueden ser ajustados a las necesidades específicas del producto y preparados para el utillaje y técnicas de producción en masa que no son aplicables al bajo volumen de las placas de desarrollo. La OLPC ha entrado en sociedad con Quanta para esta etapa del proyecto de ingeniería-de-producción.

Los esquemas detallados y disposición de las placas de los diseños para producción en masa son usualmente considerados propiedad de los ODMs, o propiedad conjunta de ambas partes involucradas. Representan la ventaja competitiva de un ODM con respecto a sus rivales (que pueden tener acceso a los mismos componentes). Los diseños esquemáticos pueden estar disponibles a los programadores después que comienza la producción bajo acuerdos NDA (Non-Disclosure Agreements / acuerdos de confidencialidad); por ejemplo, los esquemas de muchos de los iPAQ de mano fueron puestos a disponibilidad de los programadores de la comunidad de software libre bajo NDA, cuando era insuficiente la documentación escrita. La OLPC intentará documentar el diseño de manera tal de evitar NDAs; esperamos que este esfuerzo sea menor al esfuerzo logístico que involucraría requerir NDAs en una comunidad tan vasta y diversa.

Diseños Futuros Posibles

En la actualidad prevemos tres generaciones de máquinas: la primera se distribuiría a mediados del 2007.

Los diseños siguientes de la OLPC podrían utilizar componentes que aún no han sido enviados por el fabricante, y frecuentemente haremos los arreglos necesarios de modo tal que la comunidad de software libre pueda tener acceso a sus especificaciones para el desarrollo de pilotos (drivers).

También podemos anticipar tecnologías futuras de pantallas tales como E-Ink, aunque ese tipo de pantallas aún están algo nubosas en la bola de cristal.

Intentaremos mantener esta especificación actualizada a medida que los detalles del primer diseño (y los venideros) son congelados, proveer enlaces a las especificaciones de los componentes elegidos, y proveer la información necesaria para programarlos (ej: asignaciones de espacios de direccionamiento).

El diseño de primera generación usa componentes disponibles, con la (gran) excepción de la nueva pantalla plana y su chip controlador, y esperamos un novedoso touchpad bi-modal, y una interface ASIC para la NAND flash, SD y cámara.

La interface eléctrica al panel de la pantalla y el panel LCD en sí mismo está siendo detallada. Una familia de paneles planos, todos basados sobre el mismo panel LCD, pero que difieren en el uso de los filtros de color, tipos de iluminación o colores temporales, con distintas propiedades (consumo de energía, resolución, gama) y riesgos será hecha en el futuro; el panel plano inicial usa filtros de colores y funciona muy bien, y no requiere cambios en el proceso TFT de fabricación.

Otros diseños tienen mayores riesgos, pero un mejor rendimiento, ya sea la resolución efectiva o consumo de energía. Inicialmente se usará éste panel de bajo riesgo y quizás se lo remplace gradualmente por alguna otra de las alternativas hacia fines del 2007 o el 2008. 3M está construyendo los componentes ópticos plásticos usados en el diseño de éstas pantallas.