Что такое аналоговые компьютеры почему они вышли из употребления
АНАЛОГОВЫЙ КОМПЬЮТЕР, устройство, которое обрабатывает постоянно меняющуюся информацию. Обычно информация предварительно преобразуется в пропорциональные электрические сигналы. Они обрабатываются усилителями и другими контурами, которые выполняют различные арифметические операции. Другими словами, КОМПЬЮТЕР решает задачи, работая с величинами напряжения, аналогичными величинам, содержащимся в задаче. Для настройки аналоговых компьютеров и работы на них требуется много времени. Большая часть работ, выполнявшихся прежде аналоговыми компьютерами, теперь выполняется цифровыми, которые проще в обращении и работают быстрее.
Научно-технический энциклопедический словарь .
Смотреть что такое "АНАЛОГОВЫЙ КОМПЬЮТЕР" в других словарях:
аналоговый компьютер — Компьютер, обрабатывающий аналоговые данные без их преобразования в цифровые данные. Над аналоговыми сигналами выполняются операции сравнения, сложения, вычитания, умножения и деления, и, даже, дифференцирования, интегрирования. С развитием… … Справочник технического переводчика
АНАЛОГОВЫЙ КОМПЬЮТЕР — (analog computer) Машина, которая выполняет арифметические расчеты с числами, представленными физическими единицами. Например, в механических аналоговых компьютерах числа представляются количеством поворотов шестеренок механизма. В электрических… … Словарь бизнес-терминов
Аналоговый компьютер — Запрос «АВМ» перенаправляется сюда; для просмотра других значений см. АВМ (значения). Аналоговый компьютер аналоговая вычислительная машина (АВМ), которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость,… … Википедия
аналоговый компьютер — analoginis kompiuteris statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. analog computer; analogous computer vok. Analogrechner, m rus. аналоговый компьютер, m pranc. ordinateur analogue, m … Fizikos terminų žodynas
Компьютер — Схема персонального компьютера: 1. Монитор 2. Материнская плата 3 … Википедия
КОМПЬЮТЕР — устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е.… … Энциклопедия Кольера
Аналоговый сигнал — У этого термина существуют и другие значения, см. Сигнал (значения). Аналоговый сигнал сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.[1] Различают два… … Википедия
КОМПЬЮТЕР — КОМПЬЮТЕР, устройство, обрабатывающее данные (информацию), следуя ряду команд, который носит название КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ. Интегральные схемы ПЗУ (ROM) и ОЗУ (RAM) электронные запоминающие устройства служат в качестве постоянного и временного… … Научно-технический энциклопедический словарь
Гибридный компьютер — У этого термина существуют и другие значения, см. Гибридная вычислительная система. Гибридный компьютер, гибридная вычислительная машина, аналого цифровая система вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства… … Википедия
Персональный компьютер — Запрос «PC» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Иное название этого понятия «ПК»; см. также другие значения. Эта статья обо всех видах ПК. О самой распространённой платформе см. IBM PC совместимый… … Википедия
Большинство из нас связывает развитие информационных технологий с цифровой революцией. Появление микропроцессоров, конечно, вывело электронику на принципиально новый уровень. Уже гонки за обладание самым мощным суперкомьютером потеряли свой научный шарм — терафлопсы прямо зависят от количества денег и свободного места. Докупай серверов и увеличивай вычислительную емкость.
Еще со времен университета меня преследует мысль, которую мне хотелось бы закинуть на обсуждение хабрасообществу.
До цифровой эпохи развивалось направление аналоговых компьютеров.
Аналоговый компьютер — это устройство, выполняющее вычислительные задачи, оперируя не дискретными, а непрерывными данными. Бит — это дискретная величина, единица или нолик. Ток, напряжение, давление, температура, яркость, сила — этот список можно продолжать долго — есть величины непрерывные, то есть их точное значение измерить нельзя в принципе, все ограничивается точностью измерительного прибора.
Если идеальной средой для цифровой техники является обработка цифровых данных, то идеальной средой для аналогового компьютера по логике должна стать обработка данных реального мира — изображение или звук, например. Но по какой-то, непонятной мне причине, эта область знаний практически заброшена. Вероятно, ответом являются какие-то непреодолимые сложности, возможно, что-то еще, но за последние лет десять в этом направлении нет практически никаких сдвигов.
Чаще всего под аналоговыми компьютерами понимают чисто гидравлические или механические устройства, преобразующие входной сигнал в выходной по конструктивно запрограммированной функции — как тот же позограф Кауфманна, определяющий наиболее удачную экспозицию при съемке, или антикитерский механизм, предсказывающий положение планет и солнца.
Классическим примером современного аналогового компьютера является автоматическая автомобильная трансмиссия. При изменении вращающего момента меняется и давление жидкости в гидроприводе, причем характер этой «функции» можно менять конструктивно.
Но такие примеры в 21 веке уже и приводить неприлично. Наука ушла так далеко вперед, что реализация простейшей функции должна была заслуженно остаться в середине прошлого века. Но почему-то не пришло ничего взамен.
Мне хотелось бы поднять вопрос об автоматических электронных устройствах, решающих задачи обработки сигналов реального мира без их оцифровки. Ну или получить убедительный ответ, почему на данном этапе развития цивилизации таких примеров нет.
Вот смотрите — с одной стороны, почти все интерфейсы к реальному миру у нас аналоговые: микрофон, веб-камера, мышь. На пути от физических явлений (сдвинули мышь, произвели звук или включили свет) до зафиксированных компьютером сигнал проходит через АЦП — аналого-цифровой преобразователь, где аналоговый сигнал оцифровывается. В итоге мы «огрубляем» исходный сигнал до приемлемого уровня. И как ни крути, серьезно обрабатывать видео высокого качества в реальном времени у нас пока получается не очень хорошо (например, распознавать на нем объекты).
Если задуматься, то цифровая обработка сигналов практически не имеет аналогов в природе, в отличие от практически всего остального, что изобрело человечество. Любой живой организм устроен иначе — это исключительно аналоговый компьютер. Здесь и химические реакции, и нейроны работают с непрерывными физическими параметрами, а никак не с «цифрой». При совпадении некоторых шаблонов с тем, что мы получаем из реального мира, мозг фиксирует «всплески», цепляясь за которые, корректирует направление воспоминаний и прошлого опыта, дает команду нашим органам чувств вслушаться или всмотреться в какие-то ключевые детали.
Все это было бы невозможно, имей мозг цифровую природу. Но как все это воплощать в технике?
Проводя аналогию с битовыми операциями, любые непрерывные физически величины поддаются сложению, вычитанию, делению или умножению. Но что более интересно, существуют решения, позволяющие выполнять функции интегрирования и дифференцирования с аналоговыми сигналами. Этими сигналами может служить лазер в оптических компьютерах или информация о яркости отдельных частей пространства. Некий процессор мог бы накладывать двумерное или трехмерное поле шаблона на двухмерное или трехмерное поле проекции реального мира, найдя всплеск, резонанс при их наложении, более точно анализировать найденную конфигурацию, пока не будет достигнут нужный порог определенности.
В итоге целый класс задач, связанный с принятием решений, распознаванием образов, звуков, да и любым взаимодействием с внешним миром, должен иметь очень эффективную реализацию с использованием аналоговой логики за счет запараллеливания вычислений.
Решение задач обработки данных из реального мира цифровым способом напоминает забивание гвоздей микроскопом. Чтобы перевернуть картинку, мы скорее используем обычную линзу, чем сделаем похожую операцию над оцифрованной копией. Сколько бы стоили наушники, если бы систему шумоподавления делать через связку АЦП-процессор-ЦАП?
Я думаю, что следующий большой шаг в электронике — квантовые, аналоговые системы, системы, построенные на принципах нейронных сетей и не с цифровой природой в своей основе. Это должна быть уже значительно «продвинутая» аналоговая техника, специализирующаяся под конкретную задачу. Нужно уходить от модели анализа «скриншотов» к модели «живого изображения», от дискретности к непрервыности.
Новых разработок в этой области крайне мало.
Одной из очень интересных, но очень плохо освещенных в рунете, являются технологии,
построенные по принципу Cellular Neural Networks. Архитектура таких систем напоминает нейронную сеть, в которой каждая ячейка является самостоятельным элементом состояния, информационно связанным с несколькими соседями. Коммерческие решения по анализу изображений в реальном времени с использованием CNN представляют, например, Anafocus и Eutecus. Последняя, например, на своем сайте утверждает, что ее системы работают на скоростях уровня 10^12 операций в секунду. Схожую производительность показывает Lenslet enlight256 — оптический процессор, построенный уже на другом принципе, VCSEL-лазерах.
Также понятно, что для полноценных систем принятия решений, в роботизированных системах управления, требуется больше информации о мире или исследуемом предмете, чем дает обычная камера. Посмотрите на природу — тут и запахи, и яркость, и температура, и звук — все дополняет друг друга. Да и стереозрение и возможность посмотреть на мир с разных точек играет немалую роль в понимании того, что происходит вокруг вас. Это все означает, что количество информации, которую нужно будет обрабатывать нечеткой логикой, будет просто огромно. И недоразвитость систем распознавания речи или образов сейчас связано именно с тем, что все они получают на вход очень ограниченную информацию, с массой потерь, искажений или шума. А большой объем информации обрабатывать просто нечем.
Хочется надеяться, что в ближайшие десять-двадцать лет мы не будем тупо умножать количество процессоров, частоты, пытаться создавать системы на базе жуткой сцепки АЦП-процессор-ЦАП там, где можно оставить только центральный элемент, но сделать его принципиально другим, более подходящим решению задачи.
Сложное механическое устройство, состоящее из металлических шестеренок и циферблатов совершенно не вяжется с представлениями о глубокой Античности. Но именно такой механизм возрастом в 2 тысячи лет нашли в XX веке и расшифровали лишь недавно! Для чего он предназначался, и кто мог его сконструировать?
Смотреть что такое "АНАЛОГОВЫЙ КОМПЬЮТЕР" в других словарях:
АНАЛОГОВЫЙ КОМПЬЮТЕР — АНАЛОГОВЫЙ КОМПЬЮТЕР, устройство, которое обрабатывает постоянно меняющуюся информацию. Обычно информация предварительно преобразуется в пропорциональные электрические сигналы. Они обрабатываются усилителями и другими контурами, которые выполняют … Научно-технический энциклопедический словарь
аналоговый компьютер — Компьютер, обрабатывающий аналоговые данные без их преобразования в цифровые данные. Над аналоговыми сигналами выполняются операции сравнения, сложения, вычитания, умножения и деления, и, даже, дифференцирования, интегрирования. С развитием… … Справочник технического переводчика
Аналоговый компьютер — Запрос «АВМ» перенаправляется сюда; для просмотра других значений см. АВМ (значения). Аналоговый компьютер аналоговая вычислительная машина (АВМ), которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость,… … Википедия
аналоговый компьютер — analoginis kompiuteris statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. analog computer; analogous computer vok. Analogrechner, m rus. аналоговый компьютер, m pranc. ordinateur analogue, m … Fizikos terminų žodynas
Компьютер — Схема персонального компьютера: 1. Монитор 2. Материнская плата 3 … Википедия
КОМПЬЮТЕР — устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е.… … Энциклопедия Кольера
Аналоговый сигнал — У этого термина существуют и другие значения, см. Сигнал (значения). Аналоговый сигнал сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.[1] Различают два… … Википедия
КОМПЬЮТЕР — КОМПЬЮТЕР, устройство, обрабатывающее данные (информацию), следуя ряду команд, который носит название КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ. Интегральные схемы ПЗУ (ROM) и ОЗУ (RAM) электронные запоминающие устройства служат в качестве постоянного и временного… … Научно-технический энциклопедический словарь
Гибридный компьютер — У этого термина существуют и другие значения, см. Гибридная вычислительная система. Гибридный компьютер, гибридная вычислительная машина, аналого цифровая система вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства… … Википедия
Персональный компьютер — Запрос «PC» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Иное название этого понятия «ПК»; см. также другие значения. Эта статья обо всех видах ПК. О самой распространённой платформе см. IBM PC совместимый… … Википедия
Аналоговый компьютер
Антикитерский механизм – уникальное явление, фактически это аналоговый компьютер . Такие машины работают не дискретными (0 или 1, да или нет) данными, а с непрерывными – длиной, скоростью, силой тока, давлением и другими физическими параметрами. Примеры этих устройств – термометр, спидометр или автоматическая трансмиссия.
Аналоговые компьютеры активно развивались в СССР, однако впоследствии были вытеснены современными цифровыми ЭВМ: каждое устройство было предназначено для решения лишь одной задачи и потому не универсально.
Fвтоматическая трансмиссия автомобиля – один из современных примеров аналогового компьютера. Здесь при изменении вращающего момента меняется давление жидкости в гидропривод
Fвтоматическая трансмиссия автомобиля – один из современных примеров аналогового компьютера. Здесь при изменении вращающего момента меняется давление жидкости в гидропривод
Потому это направление было практически заброшено. Однако сложный аналоговый компьютер существовал ещё в Древней Греции!
Учёные и инженеры могут с выгодой использовать давно заброшенный подход к вычислениям
Этот аналоговый механический компьютер использовался для прогноза приливов. Он был известен, как «старый латунный мозг», или, более официально, «Машина предсказания приливов №2». Она служила Прибрежной и геологической службе США для подсчёта таблиц приливов начиная с 1912 года, и не уходила на пенсию вплоть до 1965, когда её заменили электронным компьютером.
Когда Нил Армстронг и Базз Олдрин опустились на Луну в 1969 году в рамках миссии Аполло-11, это, вероятно, было величайшим достижением в инженерной истории человечества [не считая, конечно, запуска первого спутника и первого человека в космос, первого выхода человека в открытый космос, а также создания автоматического космического корабля многоразового использования / прим. перев.]. Многие люди не отдают себе отчёта в том, что важным ингредиентом в успехе миссий Аполло и их предшественников были аналоговые и гибридные (аналогово-цифровые) компьютеры, которые НАСА использовала для симуляций, а в некоторых случаях, даже для управления полётами. Многие из живущих сегодня людей даже не слышали об аналоговых компьютерах, считая, что компьютеры, по определению, являются цифровыми устройствами.
Если аналоговые и гибридные компьютеры были такими ценными полстолетия назад, почему они исчезли почти бесследно? Это связано с ограничениями технологий 1970-х: по сути, их слишком сложно было разрабатывать, строить, управлять и поддерживать. Но аналоговые и гибридные аналого-цифровые компьютеры, построенные при помощи современных технологий, не имели бы таких недостатков, поэтому сейчас идут многочисленные исследования по аналоговым вычислениям в областях машинного обучения, машинного интеллекта и биомиметических схем.
В статье я сконцентрируюсь на другом применении аналоговых и гибридных компьютеров: эффективных научных вычислениях. Я считаю, что современные аналоговые компьютеры могут дополнить своих цифровых коллег в решении уравнений, относящихся к биологии, динамике жидкостей, предсказанию погоды, квантовой химии, физики плазмы и ко многим другим областям науки. И вот как эти необычные компьютеры могли бы это сделать.
Аналоговый компьютер — это физическая система, настроенная так, чтобы работать в соответствии с уравнениями, идентичными тем, что вы хотите решить. Вы назначаете начальные условия, соответствующие той системе, которую хотите исследовать, а потом позволяете переменным в аналоговом компьютере эволюционировать со временем. В результате у вас получается решение соответствующих уравнений.
Возьмём до нелепости простой пример: шланг с водой и ведро можно расценить, как аналоговый компьютер, производящий интегральные вычисления. Отрегулируйте объём текущей в шланге воды, чтобы соответствовать интегрируемой вами функции. Направьте поток в ведро. Решением задачи будет количество воды в ведре.
И хотя некоторые из аналоговых компьютеров реально использовали текущие жидкости, самые ранние из них были механическими устройствами, содержащими вращающиеся колёса и шестерёнки. В их число входит и дифференциальный анализатор Ванневара Буша 1931 года, созданный на принципах, рождённых ещё в XIX веке, в основном на базе работ Уильяма Томсона (ставшего впоследствии лордом Кельвином) и его брата Джеймса, разрабатывавшего механические аналоговые компьютеры для расчёта приливов. Аналоговые компьютеры этого типа ещё долго использовались для таких задач, как управление пушками на линкорах. К 1940-м для этого начали применяться и электронные аналоговые компьютеры, хотя параллельно механические компьютеры продолжали оставаться в строю. И не кто иной, как Клод Шеннон, отец формальной информационной теории, опубликовал в 1941 году плодотворное теоретическое исследование аналоговых вычислений.
Примерно с тех времён началась обширная разработка аналоговых компьютеров в США, СССР, Германии, Британии, Японии и т.д. Их выпускали многие производители, например, Electronic Associates Inc., Applied Dynamics, RCA, Solartron, Telefunken и Boeing. Изначально они использовались в разработке снарядов и самолётов, а также в полётных симуляторах. Естественно, основным клиентом была НАСА. Но их применение вскоре распространилось и на другие области, включая управление ядерным реактором.
Этот электронный аналоговый компьютер PACE 16-31R, изготовленный Electronic Associates Inc., был установлен в лаборатории реактивного полёта Льюиса в НАСА (сейчас это Исследовательский центр им. Гленна) в Кливленде в середине 1950-х. Такие аналоговые компьютеры использовались, кроме прочего, для таких комических программ НАСА, как Меркурий, Джемини, Аполло.
Изначально в электронных аналоговых компьютерах были сотни или тысячи электронных ламп, которые позднее заменили транзисторами. Сначала их программировали путём ручной установки контактов между различными компонентами на специальной панели. Это были сложные и причудливые машины, для запуска им требовался специально обученный персонал — всё это сыграло роль в их кончине.
Ещё одним фактором послужило то, что к 1960-м цифровые компьютеры развивались семимильными шагами благодаря многим их преимуществам: простому программированию, алгоритмической работе, простоте хранения, высокой точности, возможности обрабатывать задачи любого объёма при наличии времени. Быстродействие цифровых компьютеров быстро увеличилось за то десятилетие, а также за следующее, когда была разработана технология МОП (металл-оксид-полупроводник) для интегральных схем, позволившая размещать на одном чипе большое количество транзисторов, работающих цифровыми переключателями.
Изготовители аналоговых компьютеров вскоре включили цифровые схемы в свои системы, что породило гибридные компьютеры. Но было уже поздно: аналоговую часть этих машин нельзя было интегрировать на крупных масштабах, используя технологии разработки и производства того времени. Последний крупный гибридный компьютер сделали в 1970-х. Мир перешёл на цифровые компьютеры и больше не оглядывался.
Сегодня технология аналоговых МОП чрезвычайно продвинулась: её можно найти в приёмных и передающих схемах смартфонов, в сложных биомедицинских устройствах, во всяческой потребительской электронике, и во множестве умных устройств, из которых состоит интернет вещей. Аналоговые и гибридные компьютеры, построенные с использованием такой продвинутой современной технологии, могли бы очень сильно отличаться от существовавших полстолетия назад.
Но к чему вообще рассматривать аналоговую электронику в применении к вычислениям? Дело в том, что обычные цифровые компьютеры, пусть и мощные, могут уже подбираться к своему пределу. Каждое переключение цифровой схемы потребляет энергию. Миллиарды транзисторов на чипе, переключающиеся на гигагерцовых скоростях, вырабатывают огромное количество тепла, которое необходимо как-то удалять, пока оно не привело к критичной температуре. На YouTube легко находятся видео с демонстрацией того, как пожарить яйцо на некоторых современных цифровых компьютерных чипах.
Энергоэффективность особенно важна для научных вычислений. В цифровом компьютере течение времени необходимо аппроксимировать при помощи последовательности из дискретных шагов. При решении определённых сложных дифференциальных уравнений требуется использовать особо малые шаги, чтобы гарантировать получение решения в результате работы алгоритма. Это значит, что для этого требуется огромное количество вычислений, отнимающих много времени и потребляющих много энергии.
Около 15 лет назад я задумался: сможет ли аналоговый компьютер, разработанный при помощи современных технологий, предложить что-то ценное? Чтобы ответить на этот вопрос, Гленн Кован [Glenn Cowan] — тогда аспирант, которым я руководил в Британской Колумбии, а сейчас — профессор в Университете Конкордии в Монреале — разработал и создал аналоговый компьютер на одном чипе. Он содержал аналоговые интеграторы, умножители, генераторы функций и другие блоки, скомпонованные в стиле программируемой пользователем вентильной матрицы. Различные блоки были соединены морем проводов, которые можно было настраивать так, чтобы они создавали контакты после изготовления чипа.
Многие научные задачи требует решения систем из связанных дифференциальных уравнений. Для простоты рассмотрим два уравнения с двумя переменными x1 и x2. Аналоговый компьютер находит x1 и x2, используя схему, в которой ток, идущий по двум проводам, подчиняется тем же самым уравнениям. При использовании подходящего контура токи в двух проводах будут представлять решение изначальных уравнений.
Для этого нужны аналоговые интеграторы, блоки разветвлений, источники постоянного тока (суммирование токов требует простого объединения проводов). Для решения нелинейных дифференциальных уравнений аналоговый компьютер на чипе использует схемы непрерывного времени для формирования блоков, способных создавать произвольные функции (розовый)
Получается, что аналоговый компьютер общего назначения можно создать на основе программируемой пользователем вентильной матрицы, содержащей множество аналоговых элементов, работающих под цифровым управлением. Каждая горизонтальная и вертикальная серая полоска обозначает несколько проводов. Когда требуется точность повыше, результаты работы аналогового компьютера можно скормить цифровому для уточнения.
Цифровое программирование позволило объединить вход заданного аналогового блока с выходом другого, и создать систему, управляемую уравнением, которое нужно решить. Таймер не использовался: напряжение и токи развивались непрерывно, а не дискретными шагами. Такой компьютер мог решать сложные дифференциальные уравнения с одним независимым переменным с точностью порядка нескольких процентов.
Для некоторых приложений такой ограниченной точности бывает достаточно. В случаях, когда такой результат слишком груб, его можно скормить цифровому компьютеру для уточнения. Поскольку цифровой компьютер начинает с очень хорошей догадки, итогового результата можно достичь за время в 10 раз меньшее, что во столько же раз уменьшает и энергопотребление.
Недавно в Британской Колумбии двое студентов, Нинг Гуо [Ning Guo] и Йипен Хуанг [Yipeng Huang], Мингу Сеок [Mingoo Seok], Симха Сетумадхаван [Simha Sethumadhavan] и я создали аналоговый компьютер на одном чипе второго поколения. Как и в случае с ранними аналоговыми компьютерами, все блоки нашего устройства работали одновременно, и обрабатывали сигналы таким образом, который потребовал бы от цифрового компьютера параллельной архитектуры. Теперь у нас есть более крупные чипы, состоящие из нескольких копий нашего дизайна второго поколения, способные решать более крупные задачи.
Новая схема нашего аналогового компьютера боле эффективна в потреблении энергии и легче спаривается с цифровыми компьютерами. Такому гибриду доступны преимущества обоих миров: аналогового для примерных вычислений с высокой скоростью и малым энергопотреблением, и цифрового для программирования, хранения и высокоточных вычислений.
Наш последний чип содержит множество контуров, использованных в прошлом для аналоговых вычислений: например, интеграторы и мультипликаторы. Ключевым компонентом нашей новой схемы является новый контур, способный непрерывно вычислять произвольные математические функции. И вот, почему это важно.
Цифровые компьютеры работают с сигналами, принимающими всего два вида уровней напряжения, представляющих значения 0 или 1. Конечно, при переходе между этими двумя состояниями сигнал должен принимать и промежуточные значения. Типичная цифровая схема обрабатывает сигналы периодически, после того, как напряжения стабилизировались на уровнях, чётко представляющих 0 или 1. Эти схемы работают при помощи системного таймера с периодом, достаточным для того, чтобы напряжение переключилось из одного стабильного состояния в другое до того, как начнётся следующий раунд обработки. В результате такая схема выдаёт последовательность двоичных значений, по одному за каждый момент времени.
Наш генератор функций вместо этого работает с разработанным нами подходом, который мы назвали цифровой процесс непрерывного времени. В нём появляются бестаймерные двоичные сигналы, которые могут менять значение в любой момент, а не по чётко определённым часам. Мы построили конвертеры из аналога в цифру и из цифры в аналог, а также цифровую память, способные обрабатывать такие цифровые сигналы непрерывного времени.
Мы можем скормить аналоговый сигнал в такой конвертер из аналога в цифру, и он переведёт его в двоичное число. Это число можно использовать для поиска хранящегося в памяти значения. Выходное значение затем скармливается в преобразователь из цифры в аналог. Комбинация таких схем непрерывного времени даёт генератор функций с аналоговыми входом и выходом.
Автор с коллегами использовали современные технологии производства для упаковки мощного аналогового компьютера в небольшой корпус
Мы использовали наш компьютер для решения разных сложных дифференциальных уравнений с точностью до нескольких процентов. Это нельзя сравнить с обычным цифровым компьютером. Но точность — это ещё не всё. Во многих случаях примерных значений достаточно для работы. Примерное вычисление — намеренное ограничение точности вычислений — иногда используется и в цифровых компьютерах, к примеру, в таких областях, как машинное обучение, компьютерное зрение, биоинформатика и обработка больших данных. Это имеет смысл, когда, как это часто бывает, сами входные данные имеют погрешности.
Поскольку ядро нашего компьютера аналоговое, при необходимости он может напрямую соединяться с датчиками и силовыми приводами. Высокая скорость позволяет ему взаимодействовать с пользователем в реальном времени в вычислительных задачах, которые в обычном режиме были бы чрезвычайно медленными.
Конечно, у нашего подхода к вычислениям есть недостатки. Одна из проблем состоит в том, что особенно сложные задачи требуют множества аналоговых вычислительных блоков, из-за чего чип получается крупным и дорогим.
Один из способов решения такой проблемы — делить вычислительную задачу на мелкие подзадачи, каждая из которых будет решаться аналоговым компьютером, работающим под управлением цифрового. Такие вычисления уже не будут полностью параллельными, но, по крайней мере, они будут возможными. Исследователи изучали такой подход несколько десятилетий назад, когда гибридные компьютеры ещё были в моде. Они не ушли далеко, поскольку этот вид компьютеров был заброшен. Так что эта технология требует дальнейшей разработки.
Другая проблема состоит в том, что сложно настроить произвольные соединения между удалёнными блоками схемы на большом аналоговом чипе. Сеть контактов может приобрести непомерно большой размер и сложность. Однако некоторые научные задачи потребуют такого рода соединений, чтобы их можно было решать на аналоговом компьютере.
Это ограничение могут помочь обойти трёхмерные технологии производства. Но пока аналоговое ядро нашего гибридного дизайна лучше всего подходит для тех случаев, где требуется локальная связность — к примеру, для симуляции набора молекул, взаимодействующих только с молекулами, находящимися недалеко от них.
Ещё одна проблема — сложность в реализации функций многих параметров и связанная с ней проблема малой эффективности обработки дифференциальных уравнений в частных производных. В 1970-х велась разработка нескольких технологий для решения подобных уравнений на гибридных компьютерах, и мы планируем начать с того места, на котором закончились более ранние разработки.
Также у аналога есть недостатки с увеличением точности. Точность цифровой схемы можно увеличить, просто добавляя биты. Увеличение точности аналогового компьютера требует использования гораздо большей площади чипа. Именно поэтому мы концентрировались на приложениях с низкой точностью.
Я упомянул, что аналоговые вычисления могут ускорять подсчёты и экономить энергию, и хочу добавить подробностей. Аналоговая обработка на компьютере того типа, что сделали мы с коллегами, обычно занимает одну миллисекунду. Решение дифференциальных уравнений с одной производной требуют меньше 0,1 мкДж энергии. Такой чип при обычной технологии производства (65 нм CMOS) займёт область размером в квадратный миллиметр. Уравнения с двумя производными отнимают в два раза больше энергии и площади чипа, и так далее; время же на их решение остаётся неизменным.
Для некоторых критических областей применения с неограниченным бюджетом можно даже рассмотреть интеграцию масштаба подложки — всю кремниевую подложку целиком можно использовать, как один гигантский чип. Подложка в 300 мм позволит разместить на чипе более 100 000 интеграторов, что позволит симулировать систему из 100 000 спаренных нелинейных динамических уравнений первого порядка, или 50 000 второго порядка, и так далее. Это может оказаться полезным для симуляции динамики большого массива молекул. Время решения всё равно будет исчисляться миллисекундами, а рассеивание энергии — десятками ватт.
Только эксперименты могут подтвердить, что компьютеры такого типа будут реально полезными, и что накопление аналоговых ошибок не помешает им работать. Но если они заработают, результаты превзойдут всё, на что способны современные цифровые компьютеры. Для них некоторые из сложных задач такого порядка требуют огромные количества энергии или времени на решение, способного растянуться на дни или даже недели.
Конечно, для того, чтобы найти ответы на эти и другие вопросы, потребуется провести ещё много исследований: как распределять задачи между аналоговой и цифровой частью, как разбивать большие задачи на мелкие, как комбинировать итоговые решения.
Янис Цивидис — профессор электротехники в Колумбийском университете
(analog computer) Машина, которая выполняет арифметические расчеты с числами, представленными физическими единицами. Например, в механических аналоговых компьютерах числа представляются количеством поворотов шестеренок механизма. В электрических аналоговых машинах для представления чисел используются различия в напряжении. Существенной характеристикой аналоговых компьютеров является то, что количества, представляющие цифровые данные, в течение времени постоянно меняются. Следовательно, аналоговые компьютеры отличаются от более распространенных цифровых компьютеров, которые оперируют только с цифрами, или количествами, по шаговым изменениям. Аналоговые компьютеры в большинстве своем являются механическими или электрическими машинами, которые могут выполнять операции сложения, вычитания, умножения и деления. Результат работы таких компьютеров может быть выражен в виде графиков, рисуемых на экране осциллографа или на бумаге, или электрического сигнала, используемого для контролирования процесса или работы механизма. Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля за производственными процессами, так как они мгновенно реагируют на всякие изменения во вводимой информации. Кроме того, они применяются в научных исследованиях, особенно в тех областях науки, где дешевые электрические или механические приборы способны имитировать изучаемые ситуации.
Бизнес. Толковый словарь. — М.: "ИНФРА-М", Издательство "Весь Мир". Грэхэм Бетс, Барри Брайндли, С. Уильямс и др. Общая редакция: д.э.н. Осадчая И.М. . 1998 .
Полезное
Смотреть что такое "АНАЛОГОВЫЙ КОМПЬЮТЕР" в других словарях:
аналоговый компьютер — Компьютер, обрабатывающий аналоговые данные без их преобразования в цифровые данные. Над аналоговыми сигналами выполняются операции сравнения, сложения, вычитания, умножения и деления, и, даже, дифференцирования, интегрирования. С развитием… … Справочник технического переводчика
АНАЛОГОВЫЙ КОМПЬЮТЕР — (analog computer) Машина, которая выполняет арифметические расчеты с числами, представленными физическими единицами. Например, в механических аналоговых компьютерах числа представляются количеством поворотов шестеренок механизма. В электрических… … Словарь бизнес-терминов
Аналоговый компьютер — Запрос «АВМ» перенаправляется сюда; для просмотра других значений см. АВМ (значения). Аналоговый компьютер аналоговая вычислительная машина (АВМ), которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость,… … Википедия
аналоговый компьютер — analoginis kompiuteris statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. analog computer; analogous computer vok. Analogrechner, m rus. аналоговый компьютер, m pranc. ordinateur analogue, m … Fizikos terminų žodynas
Компьютер — Схема персонального компьютера: 1. Монитор 2. Материнская плата 3 … Википедия
КОМПЬЮТЕР — устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е.… … Энциклопедия Кольера
Аналоговый сигнал — У этого термина существуют и другие значения, см. Сигнал (значения). Аналоговый сигнал сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.[1] Различают два… … Википедия
КОМПЬЮТЕР — КОМПЬЮТЕР, устройство, обрабатывающее данные (информацию), следуя ряду команд, который носит название КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ. Интегральные схемы ПЗУ (ROM) и ОЗУ (RAM) электронные запоминающие устройства служат в качестве постоянного и временного… … Научно-технический энциклопедический словарь
Гибридный компьютер — У этого термина существуют и другие значения, см. Гибридная вычислительная система. Гибридный компьютер, гибридная вычислительная машина, аналого цифровая система вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства… … Википедия
Персональный компьютер — Запрос «PC» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Иное название этого понятия «ПК»; см. также другие значения. Эта статья обо всех видах ПК. О самой распространённой платформе см. IBM PC совместимый… … Википедия
Большинство из нас связывает развитие информационных технологий с цифровой революцией. Появление микропроцессоров, конечно, вывело электронику на принципиально новый уровень. Уже гонки за обладание самым мощным суперкомьютером потеряли свой научный шарм — терафлопсы прямо зависят от количества денег и свободного места. Докупай серверов и увеличивай вычислительную емкость.
Еще со времен университета меня преследует мысль, которую мне хотелось бы закинуть на обсуждение хабрасообществу.
До цифровой эпохи развивалось направление аналоговых компьютеров.
Аналоговый компьютер — это устройство, выполняющее вычислительные задачи, оперируя не дискретными, а непрерывными данными. Бит — это дискретная величина, единица или нолик. Ток, напряжение, давление, температура, яркость, сила — этот список можно продолжать долго — есть величины непрерывные, то есть их точное значение измерить нельзя в принципе, все ограничивается точностью измерительного прибора.
Если идеальной средой для цифровой техники является обработка цифровых данных, то идеальной средой для аналогового компьютера по логике должна стать обработка данных реального мира — изображение или звук, например. Но по какой-то, непонятной мне причине, эта область знаний практически заброшена. Вероятно, ответом являются какие-то непреодолимые сложности, возможно, что-то еще, но за последние лет десять в этом направлении нет практически никаких сдвигов.
Чаще всего под аналоговыми компьютерами понимают чисто гидравлические или механические устройства, преобразующие входной сигнал в выходной по конструктивно запрограммированной функции — как тот же позограф Кауфманна, определяющий наиболее удачную экспозицию при съемке, или антикитерский механизм, предсказывающий положение планет и солнца.
Классическим примером современного аналогового компьютера является автоматическая автомобильная трансмиссия. При изменении вращающего момента меняется и давление жидкости в гидроприводе, причем характер этой «функции» можно менять конструктивно.
Но такие примеры в 21 веке уже и приводить неприлично. Наука ушла так далеко вперед, что реализация простейшей функции должна была заслуженно остаться в середине прошлого века. Но почему-то не пришло ничего взамен.
Мне хотелось бы поднять вопрос об автоматических электронных устройствах, решающих задачи обработки сигналов реального мира без их оцифровки. Ну или получить убедительный ответ, почему на данном этапе развития цивилизации таких примеров нет.
Вот смотрите — с одной стороны, почти все интерфейсы к реальному миру у нас аналоговые: микрофон, веб-камера, мышь. На пути от физических явлений (сдвинули мышь, произвели звук или включили свет) до зафиксированных компьютером сигнал проходит через АЦП — аналого-цифровой преобразователь, где аналоговый сигнал оцифровывается. В итоге мы «огрубляем» исходный сигнал до приемлемого уровня. И как ни крути, серьезно обрабатывать видео высокого качества в реальном времени у нас пока получается не очень хорошо (например, распознавать на нем объекты).
Если задуматься, то цифровая обработка сигналов практически не имеет аналогов в природе, в отличие от практически всего остального, что изобрело человечество. Любой живой организм устроен иначе — это исключительно аналоговый компьютер. Здесь и химические реакции, и нейроны работают с непрерывными физическими параметрами, а никак не с «цифрой». При совпадении некоторых шаблонов с тем, что мы получаем из реального мира, мозг фиксирует «всплески», цепляясь за которые, корректирует направление воспоминаний и прошлого опыта, дает команду нашим органам чувств вслушаться или всмотреться в какие-то ключевые детали.
Все это было бы невозможно, имей мозг цифровую природу. Но как все это воплощать в технике?
Проводя аналогию с битовыми операциями, любые непрерывные физически величины поддаются сложению, вычитанию, делению или умножению. Но что более интересно, существуют решения, позволяющие выполнять функции интегрирования и дифференцирования с аналоговыми сигналами. Этими сигналами может служить лазер в оптических компьютерах или информация о яркости отдельных частей пространства. Некий процессор мог бы накладывать двумерное или трехмерное поле шаблона на двухмерное или трехмерное поле проекции реального мира, найдя всплеск, резонанс при их наложении, более точно анализировать найденную конфигурацию, пока не будет достигнут нужный порог определенности.
В итоге целый класс задач, связанный с принятием решений, распознаванием образов, звуков, да и любым взаимодействием с внешним миром, должен иметь очень эффективную реализацию с использованием аналоговой логики за счет запараллеливания вычислений.
Решение задач обработки данных из реального мира цифровым способом напоминает забивание гвоздей микроскопом. Чтобы перевернуть картинку, мы скорее используем обычную линзу, чем сделаем похожую операцию над оцифрованной копией. Сколько бы стоили наушники, если бы систему шумоподавления делать через связку АЦП-процессор-ЦАП?
Я думаю, что следующий большой шаг в электронике — квантовые, аналоговые системы, системы, построенные на принципах нейронных сетей и не с цифровой природой в своей основе. Это должна быть уже значительно «продвинутая» аналоговая техника, специализирующаяся под конкретную задачу. Нужно уходить от модели анализа «скриншотов» к модели «живого изображения», от дискретности к непрервыности.
Новых разработок в этой области крайне мало.
Одной из очень интересных, но очень плохо освещенных в рунете, являются технологии,
построенные по принципу Cellular Neural Networks. Архитектура таких систем напоминает нейронную сеть, в которой каждая ячейка является самостоятельным элементом состояния, информационно связанным с несколькими соседями. Коммерческие решения по анализу изображений в реальном времени с использованием CNN представляют, например, Anafocus и Eutecus. Последняя, например, на своем сайте утверждает, что ее системы работают на скоростях уровня 10^12 операций в секунду. Схожую производительность показывает Lenslet enlight256 — оптический процессор, построенный уже на другом принципе, VCSEL-лазерах.
Также понятно, что для полноценных систем принятия решений, в роботизированных системах управления, требуется больше информации о мире или исследуемом предмете, чем дает обычная камера. Посмотрите на природу — тут и запахи, и яркость, и температура, и звук — все дополняет друг друга. Да и стереозрение и возможность посмотреть на мир с разных точек играет немалую роль в понимании того, что происходит вокруг вас. Это все означает, что количество информации, которую нужно будет обрабатывать нечеткой логикой, будет просто огромно. И недоразвитость систем распознавания речи или образов сейчас связано именно с тем, что все они получают на вход очень ограниченную информацию, с массой потерь, искажений или шума. А большой объем информации обрабатывать просто нечем.
Хочется надеяться, что в ближайшие десять-двадцать лет мы не будем тупо умножать количество процессоров, частоты, пытаться создавать системы на базе жуткой сцепки АЦП-процессор-ЦАП там, где можно оставить только центральный элемент, но сделать его принципиально другим, более подходящим решению задачи.
Сложное механическое устройство, состоящее из металлических шестеренок и циферблатов совершенно не вяжется с представлениями о глубокой Античности. Но именно такой механизм возрастом в 2 тысячи лет нашли в XX веке и расшифровали лишь недавно! Для чего он предназначался, и кто мог его сконструировать?
Привет из Античности
Как и многие другие великие открытия, древний компьютер был обнаружен совершенно случайно. Артефакт лежал на морском дне недалеко от греческого острова Антикитера, пока в 1900 году на него не натолкнулись два рыболовецких судна.
Полуразрушенный механизм находился внутри затонувшего римского корабля. Помимо сомнительного вычислительного инструмента, находка ослепила моряков мраморными статуями, амфорами и золотыми изделиями.
Как считают историки, корабль либо вез дань в Италию, либо перевозил военные трофеи. К несчастью для римлян и безумной радости ученых, путь судна прервал сильный шторм. Посудина затонула в промежутке между 80-50 гг. до н.э. Обнаруженный компьютер, вероятно, был собран в I-II веках до н.э.
Несмотря на сложность конструкции, упоминания о схожих механизмах встречаются в трудах античных историков, и Антикитерский компьютер был далеко не единственным устройством. Древние греки использовали подобные механизмы хоть и не массово, но были вполне знакомы с его секретами.
Для чего же он предназначался?
Основа Антикитерского механизма – это система взаимосвязанных бронзовых шестеренок, приводившихся в движение при прокручивании центральной ручки. Всего ученые выделяют 37 шестерен разной величины. Вся конструкция лежала в прямоугольном деревянном коробе.
Лицевой циферблат представлял собой механическую Солнечную систему , где демонстрировалось точное местоположение по времени Луны, Солнца, а также 5 известных древним грекам планет: Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна.
Верхний задний циферблат вычислял даты, при которых повторялись лунные фазы. Нижний был необходим для определения циклов сарос (≈6585 суток) и экселигмос (19 756 суток). Оба циферблата помогали выяснять даты праздников, связанных с положением Луны и Солнца.
Механизм также мог использоваться для навигационных целей и в качестве образовательного пособия для молодых ученых. Кроме того, в него были заложены даты 40 астрономических событий.
Для I века до н.э. выяснить все эти тонкости, а потом отразить вычисления в единой механической системе – это настоящее чудо инженерной и астрономической мысли.
Кто стал автором изобретения, доподлинно неизвестно. Часть ученых полагает , что создать его мог известный изобретатель Архимед. Другие парируют, что его талант – ничто без знаний родосского звездочёта Гиппарха Никейского. К слову, учёные определили , что прибор был сделан именно на острове Родос.
Сегодня устройство полностью изучено, и даже сделана его действующая модель. Тем не менее, учёные продолжают исследовать удивительное творение Античности: кто знает, какие тайны нам предстоит ещё раскрыть?!
Читайте также: