Che significa hardware, a cosa serve e come sta cambiando questa tecnologia

Quando si parla di hardware si fa riferimento all’insieme di tutte le componenti fisiche di un sistema informatico. Questa categoria include una miriade di elementi differenti, dal più piccolo chip all’interno di uno smartphone fino ad arrivare agli enormi server utilizzati dalle grandi aziende.

Per capire il mondo della tecnologia e come funzionano i vari dispositivi elettronici di uso comune è fondamentale comprendere anche gli elementi al loro interno e le funzioni per cui sono stati progettati.

Quali sono i componenti hardware più comuni

Per esaminare nel dettaglio i componenti hardware più comuni, si può prendere come esempio il case di un computer desktop che contiene al suo interno tutta una serie di dispositivi che andremo ad analizzare nel dettaglio.

La scheda madre (o motherboard) è il cuore di un qualsiasi dispositivo elettronico e ha il compito di collegare e far comunicare tra loro tutti i componenti hardware. Su di essa si trovano il socket per la CPU, gli slot per la RAM e nel caso di un computer ci sono anche gli slot di espansione (come quelli PCIe per schede video e schede di rete), i connettori per i dispositivi di archiviazione (SATA, M.2) e le varie porte I/O (USB, Ethernet ecc).

La CPU è il “cervello” di ogni dispositivo ed è responsabile dell’esecuzione di istruzioni, dell’elaborazione dei dati e della gestione di tutte le operazioni logiche e aritmetiche.

Le sue prestazioni dipendono da: frequenza di clock (il numero di cicli di elaborazione che può eseguire al secondo); numero di core che possono gestire più thread (sequenze di istruzioni) contemporaneamente; cache (una memoria integrata nella CPU che memorizza i dati e le istruzioni più frequentemente utilizzati, riducendo i tempi di accesso alla RAM); architettura l’efficienza con cui la CPU esegue le istruzioni.

C’è poi la memoria ad accesso casuale (RAM), una memoria volatile utilizzata per archiviare temporaneamente i dati e i programmi in esecuzione. Questa memoria viene svuotata quando il device viene spento.

La memoria di archiviazione è lo spazio che contiene il sistema operativo, le applicazioni e i file personali degli utenti. Dentro un PC è possibile trovare un Hard Disk Drive (HDD) i vecchi dischi rigidi oppure un Solid State Drive (SSD) componenti più recenti e significativamente più veloci degli HDD.

Abbiamo poi la scheda grafica (GPU), responsabile dell’elaborazione e della visualizzazione delle immagini sul monitor. È un componente fondamentale per il gaming, l’editing video e tutte quelle operazioni che richiedono potenza di calcolo specifica.

Le GPU possono essere integrate nel processore, più che sufficienti per l’uso quotidiano e la produttività oppure dedicate, schede separate con la propria memoria (VRAM) e processori grafici, che offrono prestazioni nettamente superiori.

C’è poi l’hardware di rete che consente ai vari dispositivi di comunicare tra loro e accedere Internet. Tra i componenti più comuni ci sono il Bluetooth, la scheda WiFi le schede di rete.

C’è l’alimentatore che fornisce energia elettrica a tutti i componenti del computer. E infine i sistemi di raffreddamento che hanno il compito di mantenere sotto controllo la temperatura del device anche in caso di utilizzo intenso.

I componenti hardware esterni

Ci sono poi altri componenti hardware che sono esterni al computer e gli contendono di “interagire con il mondo esterno”.

I componenti di input più comuni sono tastiera, mouse, webcam e microfono (che sono integrati nei moderni notebook), scanner e tavolette grafiche.

Per quanto riguarda i dispositivi di output, invece, ci sono monitor, stampante, altoparlanti e cuffie.

Fondamentali in questo senso le varie porte in dotazione al computer, che consentono all’utente di utilizzare vari dispositivi esterni. Tra le più comuni ci sono le USB (USB-A e USB-C), l’HDMI, la DisplayPort, l’Ethernet e l’ingresso per il jack audio.

Altri dispositivi esterni includono il router e il modem utili per connettersi a Internet e navigare in totale autonomia.

Smartphone e Wearable, quando l’hardware diventa in miniatura

Quando si parla di hardware non si fa rifermento solo ai computer ma bisogna chiamare in causa anche smartphone e dispositivi indossabili, due settori in cui la componentistica ha raggiunto le vette dell’ingegneria moderna, focalizzandosi sulla miniaturizzazione estrema e sull’efficienza energetica.

Questi dispositivi, infatti, per quanto compatti hanno al loro interno un’ampia gamma di componenti sofisticati pronti ad offrire agli utenti funzionalità sempre avanzate.

Anche qui, nel cuore di questi device troviamo i System on a Chip (SoC), che non sono semplici CPU ma veri e propri mini-computer su un singolo chip con CPU (responsabile delle operazioni generali), GPU (per la grafica), memoria RAM e, nei prodotti più evoluti, anche delle NPU (Neural Processing Unit) dedicate, utili per svolgere al meglio i carichi di lavoro legati all’intelligenza artificiale.

Oltre al SoC, nell’hardware degli smartphone e dei wearable troviamo le memorie flash integrate, un componente fondamentale per l’archiviazione del sistema operativo, delle app e dei dati dell’utente.

Nei wearable troviamo anche sensori avanzati, componenti che giocano un ruolo cruciale e consentono di monitorare i parametri vitali e per il fitness. Ci sono, ad esempio, i cardiofrequenzimetri utili per il monitoraggio della frequenza cardiaca, accelerometri e giroscopi per il tracciamento del movimento e dell’attività fisica, GPS per la localizzazione e sensori di ossigeno nel sangue.

Altra caratteristica fondamentale di questi dispositivi sono i display ad alta risoluzione, che garantiscono un’esperienza di visione nitida in qualsiasi condizione ambientale.

In tal senso, l’innovazione in materia di display si sta muovendo anche verso la costruzione di componenti pieghevoli che, tramite apposite cerniere, permettono di aprire e chiudere lo smartphone, aumentando facilmente le dimensioni dello schermo, per rendere questi device ancora più versatili e pronti per essere utilizzati in molti scenari differenti.

Con sono poi le batterie a lunga durata, un settore che rappresenta una delle sfide principali per gli studiosi, alla costante ricerca di soluzioni per fornire un’autonomia sufficiente nonostante le dimensioni ridotte e le crescenti esigenze energetiche dei componenti. Le batterie, dunque, devono essere compatte ma anche avere una grande capacità.

Fondamentali in questi dispositivi portatili le opzioni di connettività avanzata che consentono a questi prodotti di accedere a Internet. Tra questi ci sono moduli Wi-Fi, Bluetooth, NFC, la connettività cellulare (fino al 5G) e, in certi casi, la connettività satellitare, tutti componenti hardware essenziali che permettono a questi device di comunicare e interagire con il mondo esterno.

Hardware, tecnologia e spunti per il futuro

Il settore dell’hardware è in continua evoluzione e segue tendenze come la miniaturizzazione dei componenti, l’efficienza energetica e l’aumento delle prestazioni.

Tra le novità assolute in questo senso c’è la Neural Processing Unit (NPU) un particolare componente che viene utilizzato per accelerare i carichi di lavoro legati all’intelligenza artificiale, permettendo di eseguire compiti AI direttamente sul dispositivo (on-device AI) in modo più efficiente e senza alcun rischio per la privacy.

Altra tendenza molto interessante sono i dispositivi pieghevoli con i ricercatori che si stano concentrando sulla flessibilità e sulla resistenza dei materiali degli schermi per provare innovativi fattori di forma da applicare a smartphone, tablet e notebook.

C’è poi il discorso sul quantum computing, un settore ancora in fase sperimentale dove gli studiosi stanno lavorando a nuovi sistemi per rivoluzionare l’elaborazione dei dati sviluppato dispositivi con capacità di calcolo esponenzialmente superiori a quelli attuali.

L’ultima frontiera verso cui si stanno muovendo i ricercatori sono i materiali avanzati utili per realizzare dispositivi e componenti più performanti e più duratori, nel tentativo di superare i limiti fisici degli attuali semiconduttori, garantendo in futuro l’accesso a tecnologie più efficienti pronte a soddisfare le esigenze dei consumatori.