Что такое гибридный компьютер
аналого-цифровая вычислительная машина, комбинированная вычислительная машина, комбинированный комплекс из нескольких электронных вычислительных машин (См. Вычислительная машина), использующих различное представление величин (аналоговое и цифровое) и объединённых единой системой управления. В состав Г. в. с., кроме аналоговых и цифровых машин (АВМ и ЦВМ) и системы управления, обычно входят преобразователи представления величин, устройства внутрисистемной связи и периферийное оборудование (см. структурную схему на рис.). Г. в. с. — комплекс ЭВМ, в этом её главное отличие от гибридной вычислительной машины, названной так потому, что она строится на гибридных решающих элементах, либо с использованием аналоговых и цифровых элементов.
В литературе часто к Г. в. с. относят АВМ с параллельной логикой, АВМ с цифровым программным управлением и АВМ с многократным использованием решающих элементов, снабженные запоминающим устройством. Такого рода вычислительные машины, хотя и содержат элементы, используемые в ЦВМ, но по-прежнему сохраняют аналоговый способ представления величин и все специфические особенности и свойства АВМ. Появление Г. в. с. обусловлено тем, что для решения многих новых задач, связанных с управлением движущимися объектами, оптимизацией и моделированием систем управления, созданием комплексных тренажеров и др., возможности отдельно взятых АВМ и ЦВМ оказываются уже недостаточными.
Расчленение вычислительного процесса в ходе решения задачи на отдельные операции, выполняемые АВМ и ЦВМ в комплексе, уменьшает объём вычислительных операций, возлагаемых на ЦВМ, что при прочих равных условиях существенно повышает общее быстродействие Г. в. с.
Различают аналого-ориентированные, цифро-ориентированные и сбалансированные Г. в. с. В системах первого типа ЦВМ используется как дополнительное внешнее устройство к АВМ, предназначенное для образования сложных нелинейных зависимостей, запоминания полученных результатов и для осуществления программного управления АВМ. В системах второго типа АВМ используется как дополнительное внешнее устройство ЦВМ, предназначенное для моделирования элементов реальной аппаратуры, многократного выполнения небольших подпрограмм.
Создание эффективных гибридных комплексов требует в первую очередь уточнения основных областей их применения и детального анализа типичных задач из этих областей. В результате этого устанавливают рациональную структуру гибридного комплекса и формируют требования к его отдельным частям.
Задачи, которые эффективно решаются на Г. в. с., можно разбить на следующие основные группы: моделирование в реальном масштабе времени автоматических систем управления, содержащих как аналоговые, так и цифровые устройства; воспроизведение в реальном масштабе времени процессов, содержащих высокочастотные составляющие и переменные, изменяющиеся в широком диапазоне; статистическое моделирование; моделирование биологических систем; решение уравнений в частных производных; оптимизация систем управления.
Примером задачи первой группы может служить моделирование системы управления прокатного стана. Динамика процессов в нём воспроизводится на аналоговой машине, а специализированная управляющая станом машина моделируется на универсальной ЦВМ среднего класса. Вследствие кратковременности переходных процессов в приводах прокатных станов, полное моделирование таких процессов в реальном масштабе времени потребовало бы применения сверхбыстродействующих ЦВМ. Аналогичные задачи часто встречаются в системах управления военными объектами.
Типичными для второй группы являются задачи управления движущимися объектами, в т. ч. и задачи самонаведения, а также задачи, возникающие при создании вычислительной части комплексных тренажеров. Для задач самонаведения характерно формирование траектории движения в процессе самого движения. Большая скорость изменения некоторых параметров при приближении объекта к цели требует высокого быстродействия управляющей системы, превышающего возможности современных ЦВМ, а большой динамический диапазон — высокой точности, трудно достижимой на АВМ. При решении этой задачи на Г. в. с. целесообразно возложить воспроизводство уравнений движения вокруг центра тяжести на аналоговую часть, а движение центра тяжести и кинематические соотношения — на цифровую часть вычислительной системы.
К третьей группе относятся задачи, решение которых получается в результате обработки многих реализаций случайного процесса, например решение многомерных уравнений в частных производных методом Монте-Карло, решение задач стохастичемкого программирования, нахождение экстремума функций многих переменных. Многократная реализация случайного процесса возлагается на быстродействующую АВМ, работающую в режиме многократного повторения решения, а обработка результатов, воспроизводство функций на границах области, вычисление функционалов — на ЦВМ. Кроме того, ЦВМ определяет момент окончания счёта. Применение Г. в. с. сокращает время решения задач этого вида на несколько порядков по сравнению с применением только цифровой машины.
Аналогичный эффект достигается при использовании Г. в. с. для моделирования процессов распространения возбуждения в биологических системах. Специфика этого процесса заключается в том, что даже в простейших случаях требуется воспроизводить сложную нелинейную систему уравнений в частных производных.
Поиск решения задачи оптимального управления для объектов выше третьего порядка обычно связан с большими, часто непреодолимыми, трудностями. Ещё больше они возрастают, если необходимо отыскать оптимальное управление в процессе работы системы. Г. в. с. в значительной степени помогают устранить эти трудности и использовать такие сложные в вычислительном отношении методы, как принцип максимума Понтрягина.
Применение Г. в. с. эффективно также при решении нелинейных уравнений в частных производных. При этом могут решаться как задачи анализа, так и задачи идентификации и оптимизации объектов. Примером задачи оптимизации может служить подбор нелинейности теплопроводного материала для заданного распределения температур; определение геометрии летательных аппаратов для получения требуемых аэродинамических характеристик; распределение толщины испаряющегося слоя, предохраняющего космические корабли от перегрева при входе в плотные слои атмосферы; разработка оптимальной системы подогрева летательных аппаратов с целью предохранения их от обледенения при минимальной затрате энергии на подогрев; расчёт сети ирригационных каналов и установление оптимальных расходов в них и т.п. При решении этих задач ЦВМ соединяется с сеточной моделью, многократно используемой в процессе решения.
Развитие Г. в. с. возможно в двух направлениях: построение специализированных Г. в. с., рассчитанных на решение только одного класса задач, и построение универсальных Г. в. с., позволяющих решать сравнительно широкий класс задач. Структура такого универсального гибридного комплекса (рис.) состоит из АВМ однократного действия, АВМ с повторением решения, сеточной модели, устройств связи между машинами, специального оборудования для решения задач статистического моделирования и периферийного оборудования. Помимо стандартного математического обеспечения (См. Математическое обеспечение) ЭВМ, входящих в комплекс, в Г. в. с. требуются специальные программы (См. Программа), обслуживающие систему связи машин и автоматизирующие процесс подготовки и постановки задач на АВМ, а также единый Язык программирования для комплекса в целом.
Наряду с новыми вычислительными возможностями в Г. в. с. возникают специфические особенности, в частности появляются погрешности, которые в отдельно работающих ЭВМ отсутствуют. Первичными источниками погрешностей являются временная задержка аналого-цифрового преобразователя, ЦВМ и цифро-аналогового преобразователя; ошибка округления в аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразователях; ошибка от неодновременной выборки аналоговых сигналов на аналого-цифровой преобразователь и неодновременной выдачи цифровых сигналов на цифро-аналоговый преобразователь; ошибки, связанные с дискретным характером выдачи результатов с выхода ЦВМ. При автономной работе ЦВМ с преобразователями временная задержка, например, не вызывает погрешности, а в Г. в. с. она не только может вызвать существенные погрешности, но и нарушить работоспособность всей системы.
Анализ погрешностей Г. в. с. имеет значение как для оценки погрешности работы комплекса при решении определённого класса задач, так и для разработки методов повышения точности и эффективности системы. Первичные погрешности автономно работающих АВМ и ЦВМ, входящих в Г. в. с., достаточно хорошо изучены, но оценка погрешности при решении с помощью гибридного комплекса нелинейных задач представляет ещё неразрешенную проблему.
Лит.: Исследование кибернетических проблем вычислительно-управляющего комплекса блюминга 1300, в кн.: Управление производством. Труды III Всесоюзного совещания по автоматическому управлению (технической кибернетике), Одесса, 20—26 сент. 1965, М., 1967; Гулько Ф. Б., Коган Б. Я., Райскина М. Е., О возможном применении вычислительных машин для изучения механизмов развития заболевания, «Автоматика и телемеханика», 1967, № 8, с. 104—106; Soudack А. С., Little W. D., An economical hybridizing scheme for applying Monte-Carlo methods to the solution of partial-differential equations, «Simulation», 1965, v. 5, № 1, p. 9—11; Bekey G. A., Karplus W. J., Hybrid computation, N. Y., 1968.
Структурная схема универсальной гибридной вычислительной системы: сплошной линией обозначены информационные, а пунктирной — управляющие каналы.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Гибридный компьютер, гибридная вычислительная машина, аналого-цифровая система — вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства аналоговых и цифровых вычислительных устройств. [1]
2 в 1 ПК
Для портативного компьютера термин «гибридный компьютер» используется для обозначения ПК 2-в-1. Этот тип ПК состоит из съемного экрана и клавиатуры, что позволяет объединить функциональность портативного компьютера и планшета.
Эти гибридные компьютеры обладают мощностью компьютера, а при отключении клавиатуры они становятся портативными, как планшет.
Например, этот гибридный компьютер можно использовать для выполнения задач с ним в течение дня, а затем, разделив экран, чтобы наслаждаться им в постели, просматривая страницы Facebook и Instagram.
Серийные модели
Экстрема — семейство настольных гибридных вычислительных систем. По быстродействию и способу набора условий машины этого семейства близки к аналоговым вычислительным машинам. Последние модели были построены на базе аналогового процессора с дополнительными системами задания начальных значений переменных. Для управления вычислительным процессом использовалось устройство визуального отображения и устройство измерения и контроля условий задачи, формирования временных и тактовых сигналов. Использовались для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентальных уравнений, систем конечных неравенств, систем обыкновенных и нелинейных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями, отыскания координат максимума и минимума функции многих переменных с различными ограничениями, задач нелинейного программирования и др. Основные характеристики последних моделей:
- число функциональных преобразователей — 128
- количество искомых переменных — 16
- количество рассматриваемых уравнений и неравенств — 20
- максимальный порядок систем дифференциальных уравнений — 16
Управление движущимся объектом
Вторая группа включает в себя две подгруппы задач:
Задачи самонаведения
Для них характерно то, что траектория движения формируется в процессе самого движения как результат управляющих и внешних воздействий. По мере приближений объекта к цели скорость изменения некоторых параметров становится столь велика, что использование чисто цифровых решений требует сверхвысокого быстродействия, а чисто аналоговое решение не способно охватить большой динамический диапазон измеряемых величин с приемлемой точностью. Кроме того, аналоговая машина может корректно обработать не всякую «пограничную» ситуацию.
В этом случае гибридная система позволяет скомпенсировать недостатки обеих технологий и «выкрутиться» из нештатных состояний.
Комплексные тренажёры
Построение вычислительной части комплексных тренажёров показало, что наибольшая точность моделирования достигается, если уравнения движения вокруг центра тяжести возлагаются на аналоговую часть, а движением центра тяжести в пространстве и всеми кинематическими соотношениями занимается цифровая машина.
Применение
Гибридными системами эффективно решаются следующие основные группы задач:
- Моделирование в реальном масштабе времени автоматических систем управления, содержащих как аналоговые, так и цифровые устройства;
- Воспроизведение в реальном масштабе времени процессов, содержащих высокочастотные составляющие и переменные, изменяющиеся в широком амплитудном и частотном диапазоне;
- Статистическое моделирование;
- Моделирование биологических систем;
- Решение уравнений в частных производных;
- Оптимизация систем управления.
Моделирование в реальном времени
Одна из типичных задач первой группы — моделирование системы управления прокатного стана. В этом случае аналоговая вычислительная машина воспроизводит динамику процессов в самом стане, а управляющая машина моделируется ЦВМ общего назначения со специальной программой. Кратковременность переходных процессов в приводах станов и взаимосвязь большого числа величин при попытке смоделировать их целиком на ЦВМ в реальном масштабе времени потребовали бы применения сверхбыстродействующих ЦВМ, при этом точность моделирования наиболее критичных, быстрых процессов, определялась бы прежде всего погрешностями дискретизации.
Этот класс задач типичен для управления военными объектами, например, системами ПВО или военным соединением.
Проблемы
Помимо преимуществ «разделения труда», гибридные вычислительные системы имеют свои собственные трудности проектирования, отсутствующие как в цифровом, так и в аналоговом оборудовании.
Главной проблемой являются погрешности дискретизации:
- временная задержка аналого-цифрового преобразователя, ЦВМ и цифро-аналогового преобразователя;
- ошибка округления в аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразователях;
- ошибка неодновременности выборки аналоговых сигналов на аналого-цифровой преобразователь
- ошибка неодновременной выдачи цифровых сигналов на цифро-аналоговый преобразователь
- ошибки, связанные с дискретным характером выдачи результатов с выхода ЦВМ.
Так как в гибридных системах происходит многократный двусторонний обмен данными между аналоговой и цифровой частями, то переменная величина временной задержки, вносимой программной обработкой, может привести к возникновению непредусмотренной моделью нелинейной обратной связи. При работе ЦВМ с АЦП и ЦАП преобразователями это не вызывает столь существенных проблем, а в гибридной вычислительной системе это может приводить к потере устойчивости и нарушить работоспособность всей системы.
Для оценки погрешности конкретного комплекса требуется чрезвычайно сложный анализ первичных погрешностей оборудования и вносимых преобразованиями вторичных погрешностей. Без этого невозможна разработка точных вычислительных комплексов.
Несмотря на то, что первичные погрешности АВМ и ЦВМ, из которых строятся гибридные системы, достаточно хорошо изучены, проблема оценки погрешности при решении с помощью гибридного комплекса нелинейных задач ещё не разрешена.
Биологические системы
Близкие по эффективности результаты достигаются при исследовании гибридными системами процессов распространения возбуждения в биологических системах. Специфика данного вида задач, даже в их простейшем варианте, моделирование такой среды состоит в построении сложной нелинейной системы уравнений в частных производных.
Применение в распределенных вычислениях
Программа для GRID-вычислений BOINC поддерживает возможность использования графического процессора для выполнения вычислительных задач. [6]
Моделирование в реальном времени
Одна из типичных задач первой группы — моделирование системы управления прокатного стана. В этом случае аналоговая вычислительная машина воспроизводит динамику процессов в самом стане, а управляющая машина моделируется ЦВМ общего назначения со специальной программой. Кратковременность переходных процессов в приводах станов и взаимосвязь большого числа величин при попытке смоделировать их целиком на ЦВМ в реальном масштабе времени потребовали бы применения сверхбыстродействующих ЦВМ, при этом точность моделирования наиболее критичных, быстрых процессов, определялась бы прежде всего погрешностями дискретизации.
Этот класс задач типичен для управления военными объектами, например, системами ПВО или военным соединением.
Современное состояние
Рост вычислительной мощности микропроцессоров на несколько порядков, миниатюризация цифрового оборудования снизили потребность в построении гибридных систем для большинства описанных задач, и в настоящее время гибридные решения могут сохранять применение:
- при решении узкоспециализированных научных задач
- в системах управления миниатюрными летательными аппаратами
- в системах связи для роботов. [3]
характеристики
Интересные факты
Нервы животных могут служить примером аналоговой системы. Сигналы проходят через синапсы от одной нервной клетки к следующей как дискретные (цифровые) сигналы, которые затем преобразуются внутри нервных клеток в аналоговый моды путем создания электро-химического потенциал, пока его порог не будет достигнут, после чего происходит передача серии цифровых сигналов в следующую клетку нерва. [4]
Серийные модели
Экстре́ма — семейство настольных гибридных вычислительных систем. По быстродействию и способу набора условий машины этого семейства близки к аналоговым вычислительным машинам. Последние модели были построены на базе аналогового процессора с дополнительными системами задания начальных значений переменных. Для управления вычислительным процессом использовалось устройство визуального отображения и устройство измерения и контроля условий задачи, формирования временны́х и тактовых сигналов. Использовались для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентальных уравнений, систем конечных неравенств, систем обыкновенных и нелинейных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями, отыскания координат максимума и минимума функции многих переменных с различными ограничениями, задач нелинейного программирования и др. [1] Основные характеристики последних моделей:
- число функциональных преобразователей — 128
- количество искомых переменных — 16
- количество рассматриваемых уравнений и неравенств — 20
- максимальный порядок систем дифференциальных уравнений — 16
Высокая точность
Результаты, полученные на гибридном оборудовании, оказываются намного точнее и прибыльнее, чем на предыдущих машинах. Это связано с цифровой составляющей гибридного компьютера.
В гибридном компьютере «начальные» значения генерируются быстро, хотя и не являются математически точными, поскольку это значение достигается с помощью внешнего интерфейса аналоговых вычислений.
Это значение отправляется в цифровой интерфейс, который с помощью итеративного процесса получает точное числовое начальное число. Общее время, необходимое для вычисления этого точного значения, намного меньше, чем при использовании аналогового или только цифрового компьютера.
Содержание
- Недостаток
В более современное время необходимость в гибридных компьютерах заменили процессоры цифровых сигналов.
Стохастические процессы
К этой группе принято относить задачи, решаемые обработкой результатов многократной реализации случайного процесса.
- Решение многомерных уравнений в частных производных методом Монте-Карло
- Решение задач стохастического программирования
- Нахождение особых точек, экстремумов функций многих переменных.
Реализация случайного процесса аналоговой машиной во-первых, не требует пропорционального возрастания энергетических затрат при повышении быстродействия, а во-вторых, позволяет (в отличие от цифровых алгоритмов) снизить повторяемость генерируемых последовательностей, особенно при очень большой их длине.
Быстродействующая АВМ работает при этом в режиме многократного повторения решения, а обработка полученных на её выходах результатов, обработка граничных условий, вычисление функционалов — возлагается на ЦВМ. Кроме того, именно ЦВМ задаёт критерии и по ним определяет окончание обсчёта.
Гибридные решения позволяют сократить время решения задач такого типа на несколько порядков по сравнению с чисто цифровыми алгоритмами, а также, в ряде случаев, без существенных затрат повысить надёжность получаемых результатов.
Комбинация аналоговых и цифровых компонентов
Эти компьютеры основаны на компьютерной системе, которая сопоставляет аналоговые устройства с цифровыми.
Обычно аналоговые компоненты компьютера выполняют сложные математические вычисления. Цифровые компоненты отвечают как за арифметические, так и за логические операции, а также используются для управления системой.
В случае суперкомпьютера это соответствует комбинации машин, способных обрабатывать цифровые и аналоговые сигналы. Гибридный компьютер предоставляет подходящий метод для выполнения очень сложных симуляций.
Гибридные выделенные компьютеры
Они включают статические программы, которые нельзя настроить. Обычно они встраиваются в физические системы, которые обычно используются в качестве имитаторов подсистем, контроллеров функций или анализаторов вывода.
Например, пневматический компьютер использует пневмобаллон и сопла для генерации точных функций умножения, деления или извлечения квадратного корня входных сигналов, кодируя данные как давление воздуха.
Технические приложения
Гибридное оборудование в основном предназначено для технических приложений, в которых обрабатываются не только дискретные данные, но и непрерывные. То есть они позволяют обрабатывать эти два типа данных.
И аналоговые, и гибридные компьютеры представляют собой специально созданные компьютеры, и их приложения заранее определены во время проектирования.
HP Envy x2
Это ультратонкий гибридный персональный компьютер, в котором два устройства встроены в одно. Это ноутбук, который также можно использовать как планшет.
Он содержит экран, который можно снять и превратить в планшет, отсоединив его от клавиатуры с помощью магнитной застежки.
История
Появление гибридных вычислительных систем было сопряжено с тем, что для ряда возникающих в технике задач моделирования сложных систем ни аналогового, ни цифрового методов не хватило.
Таковыми задачами стали:
- Автоматическое управление быстро движущимися объектами;
- Оптимизация систем управления;
- Тренажёры авиационной, в особенности боевой техники.
Цифровые машины соответствующей эпохи[когда?] не имели достаточного быстродействия для обработки возникающих массивов данных в реальном времени, а аналоговые машины не позволяли достичь всего возможного разнообразия моделируемых ситуаций.
Поэтому было найдено решение разделить вычислительный процесс на несколько классов операций, после чего возложить наиболее сложную функциональную обработку сигналов на аналоговые модули системы, а алгоритмы принятия решений, сценарии и задание начальных и конечных условий — на цифровые модули.
Всё это позволило снизить затраты вычислительной мощности применяемых ЦВМ и повысить быстродействие получившихся гибридных систем.
Гибридная система
Важно учитывать, что настоящий гибридный компьютер - это не просто гибридная система. Гибридный компьютер оснащен необходимыми компонентами, чтобы устройство могло работать быстро и точно.
Продукты, продаваемые как гибридные системы, представляют собой не что иное, как цифровое компьютерное оборудование, которое было дополнено аналого-цифровым преобразователем для входа и цифро-аналоговым преобразователем для управления выходом.
Такая система обычно считается менее эффективной, чем настоящий гибридный компьютер.
История
Обычно основным вычислительным компонентом систем для высокопроизводительных вычислений, включая кластеры, является центральный процессор. Однако, уже начиная с процессоров Intel486DX в составе компьютеров появился такой элемент, как сопроцессор, что можно считать гибридизацией на аппаратном уровне.
В середине 2000-х для вычислительных целей начали использовать графический процессор (GPU). [1]
Основная проблема состоит в том, чтобы найти способы выполнять вычислительные задачи с помощью графического процессора. Осознав спрос на подобные вычисления, компания NVIDIA в 2007 году представила программно-аппаратную платформу CUDA, позволяющую запускать произвольный код на GPU. До появления CUDA, программистам приходилось строить гибридные системы из обычных видеокарт и программировать их, используя сложнейшие графические API.
Кампания ATI разработала свои аналоги для CUDA. Это технологии ATI Stream и Close to Metal.
Ожидается, что новая архитектура Intel Larrabee будет поддерживать технологии GPGPU.
История
Появление гибридных вычислительных систем было сопряжено с тем, что для ряда возникающих в технике задач моделирования сложных систем ни аналогового, ни цифрового методов не хватило.
Таковыми задачами стали:
- Автоматическое управление быстро движущимися объектами;
- Оптимизация систем управления;
- Тренажёры авиационной, в особенности боевой техники.
Цифровые машины соответствующей эпохи [когда?] не имели достаточного быстродействия для обработки возникающих массивов данных в реальном времени, а аналоговые машины не позволяли достичь всего возможного разнообразия моделируемых ситуаций.
Поэтому было найдено решение разделить вычислительный процесс на несколько классов операций, после чего возложить наиболее сложную функциональную обработку сигналов на аналоговые модули системы, а алгоритмы принятия решений, сценарии и задание начальных и конечных условий — на цифровые модули.
Всё это позволило снизить затраты вычислительной мощности применяемых ЦВМ и повысить быстродействие получившихся гибридных систем.
Архитектура
Гибридные вычислительные системы строятся из следующих элементов:
- Блоки АВМ и ЦВМ
- Преобразователи представления величин
- Устройства внутрисистемной связи
- Периферийное оборудование
Эффективный гибридный комплекс может быть создан только в результате тщательного исследования предметной области, уточнения всех особенностей применения и детального анализа типичных задач. Поэтому говорить о какой-то единой архитектуре гибридных вычислительных систем в корне неверно.
Преимущества и недостатки
Оптимизация управления
Решение задач оптимального управления при применении к объектам выше третьего порядка сталкивается с принципиальными трудностями.
Особенно возрастают сложности моделирования и получения решения, если оптимальное управление требуется искать на работающей системе.
Именно гибридные вычислительные системы позволяют устранить или хотя бы минимизировать эти трудности. Для этого с помощью ГВМ реализуют такие методы, как принцип максимума Понтрягина, чрезвычайно сложные в вычислительном отношении.
Медицинская зона
ЭКГ, эхокардиограмма, ультразвук и аппараты для холтеровского мониторирования являются примерами гибридных компьютеров.
Многие диагнозы, используемые в медицине, попадают в эту категорию.
Например, в отделении интенсивной терапии больниц используется аналоговый прибор, который измеряет артериальное давление и температуру пациента. Эти значения преобразуются и отображаются на цифровом дисплее в числовой форме.
Учитывая скорость, с которой гибридные компьютеры могут обрабатывать данные, проводятся исследования онлайн-обработки данных.
Фактически, гибридный компьютер был установлен в Центре биомедицинской инженерии Университета Огайо, где данные сердечной катетеризации передаются из разных больниц на гибридный компьютер через инфракрасный оптический механизм.
Эти данные анализируются в реальном времени, и результаты немедленно доступны врачу. Таким образом, время ожидания между процедурой катетеризации и получением результата значительно сокращается.
Большие гибридные электронно-вычислительные машины
Они широко использовались с 1960-х до середины 1980-х годов и имели несколько сотен операционных усилителей.
Они решили чрезвычайно сложные и обширные наборы математических моделей дифференциальных уравнений.
Например, космический полет с шестью степенями свободы, кинетика экзотермических химических реакций, системы управления предприятиями пищевой промышленности и иммуносупрессивная система человека.
Биологические системы
Близкие по эффективности результаты достигаются при исследовании гибридными системами процессов распространения возбуждения в биологических системах. Специфика данного вида задач, даже в их простейшем варианте, моделирование такой среды состоит в построении сложной нелинейной системы уравнений в частных производных.
Частные производные
ГВМ эффективно применяются также в задачах, где главным является построение и решения нелинейных уравнений в частных производных.
Это могут быть как задачи анализа, так и задачи оптимизации и идентификации.
Примеры задач оптимизации:
- Подбор теплопроводного материала для заданного распределения температур по нелинейности его характеристик;
- Выбор геометрии летательных аппаратов для получения требуемых аэродинамических характеристик;
- Вычисление необходимого распределения толщины испаряющегося слоя, предохраняющего космические корабли от перегрева при входе в плотные слои атмосферы;
- Оптимизация системы подогрева летательного аппарата, предотвращающей обледенение с минимальными затратами на собственно подогрев;
- Расчёт ирригационной сети и установление оптимальных расходов в каналах оной.
При решении этих задач ЦВМ соединяется с сеточной моделью, многократно используемой в процессе решения.
Литература
- Э. Таненбаум, М. ван Стеен. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. — СПб. : Питер, 2003. — 877 с. — («Классика computer science»). — ISBN 5-272-00053-6
Архитектура
Для взаимодействия аналоговых и цифровых узлов ГВМ применяются специальные устройства преобразования, в частности, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), управляемые усилители, коммутаторы и т. п.
Гибридные вычислительные системы строятся из следующих элементов:
- Блоки АВМ и ЦВМ
- Преобразователи представления величин
- Устройства внутрисистемной связи
- Периферийное оборудование
Эффективный гибридный комплекс может быть создан только в результате тщательного исследования предметной области, уточнения всех особенностей применения и детального анализа типичных задач. Поэтому говорить о какой-то единой архитектуре гибридных вычислительных систем в корне неверно.
Управление движущимся объектом
Вторая группа включает в себя две подгруппы задач:
Задачи самонаведения
Для них характерно то, что траектория движения формируется в процессе самого движения как результат управляющих и внешних воздействий. По мере приближений объекта к цели скорость изменения некоторых параметров становится столь велика, что использование чисто цифровых решений требует сверхвысокого быстродействия, а чисто аналоговое решение не способно охватить большой динамический диапазон измеряемых величин с приемлемой точностью. Кроме того, аналоговая машина может корректно обработать не всякую «пограничную» ситуацию.
В этом случае гибридная система позволяет скомпенсировать недостатки обеих технологий и «выкрутиться» из нештатных состояний.
Комплексные тренажёры
Построение вычислительной части комплексных тренажёров показало, что наибольшая точность моделирования достигается, если уравнения движения вокруг центра тяжести возлагаются на аналоговую часть, а движением центра тяжести в пространстве и всеми кинематическими соотношениями занимается цифровая машина.
Гибридные системы общего назначения
Это компьютеры, которые обладают способностью использовать различные приложения или решать многочисленные типы проблем.
Многие из этих типов гибридных компьютеров были когда-то системами специального назначения, то есть гибридными компьютерами, работающими неполный рабочий день, где результат можно было получить с определенной скоростью.
Смотреть что такое "Гибридная вычислительная система" в других словарях:
ГИБРИДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА — комплекс из нескольких ЭВМ или вычислительных устройств (аналоговых и цифровых), объединенных единой системой управления. Применяют при моделировании сложных систем, для оптимизации систем автоматического управления, решения нелинейных уравнений… … Большой Энциклопедический словарь
гибридная вычислительная система — комплекс из нескольких ЭВМ или вычислительных устройств (аналоговых и цифровых), объединённых единой системой управления, для моделирования сложных систем, оптимизации систем автоматического управления, решения нелинейных уравнений в частных… … Энциклопедический словарь
Гибридная вычислительная система (значения) — Гибридная вычислительная система система с гибридизацией на аппаратном уровне (с гетерогенной аппаратной вычислительной структурой). Гибридный компьютер (гибридная вычислительная машина, аналого цифровая система) вычислительная система с… … Википедия
ГИБРИДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА — (от лат. hibrida. hybrida помесь), аналогецифровая вычислительная система, комбинированная вычислительная система, комплекс из неск. ЭВМ или вычислит. устройств (аналоговых и цифровых), объедин. единой системой управления. Г. в. с. предназначена… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Гибридная вычислительная система — аналого цифровая вычислительная машина, комбинированная вычислительная машина, комбинированный комплекс из нескольких электронных вычислительных машин (См. Вычислительная машина), использующих различное представление величин (аналоговое и … Большая советская энциклопедия
ГИБРИДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА — комплекс из неск. ЭВМ или вычислит. устройств (аналоговых и цифровых), объединённых единой системой управления, для моделирования сложных систем, оптимизации систем автоматич. управления, решения нелинейных ур ний в частных производных и т. д … Естествознание. Энциклопедический словарь
Вычислительная машина — устройство или совокупность устройств, предназначенных для механизации и автоматизации процесса обработки информации (вычислений). Современные В. м. по способу представления информации подразделяются на 3 класса: а) аналоговые… … Большая советская энциклопедия
Аналоговая вычислительная машина — (АВМ) вычислительная машина, в которой каждому мгновенному значению переменной величины, участвующей в исходных соотношениях, ставится в соответствие мгновенное значение другой (машинной) величины, часто отличающейся от исходной… … Большая советская энциклопедия
Аналого-цифровая вычислительная машина — то же, что Гибридная вычислительная система … Большая советская энциклопедия
Комбинированная вычислительная машина — установка, в которой машинные переменные (искомые величины и независимые переменные) представляются и в дискретной (цифровой), и в непрерывной (аналоговой) формах. См. Гибридная вычислительная система … Большая советская энциклопедия
Гибридный компьютер, гибридная вычислительная машина, аналого-цифровая система — вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства аналоговых и цифровых вычислительных устройств.
Примечания
Классификация
Гибридные вычислительные машины, как и аналоговые, можно разделить на две основных группы:
- Специализированные — гибридные системы, рассчитанных на решение только одного класса задач, однако позволяющих делать это с максимальной эффективностью.
- Универсальные — гибридные системы, ориентированные на решение широкого класса задач. Построение таких систем означает написание специализированных программ под соответствующее оборудование и специальных программ, обслуживающих связь машин в единый комплекс, а также автоматизирующих процесс подготовки и постановки задач на едином языке программирования комплекса.
Также различают аналого-ориентированные, цифро-ориентированные и сбалансированные гибридные вычислительные системы.
- В аналого-ориентированных системах цифровой блок (блоки) используется как дополнительное внешнее устройство к основной АВМ. Использование ЦВМ в качестве периферийного узла подготовки и преобразования данных существенно повышает мощность и функциональные возможности аналоговой части гибридной системы.
- В цифро-ориентированные системы являются АВМ с цифровым управлением и логикой, они строятся на аналоговой вычислительной и дискретной логических сетях так, что аналоговая сеть реализует условия задачи, а дискретная поиск решений. АВМ моделирует элементы реального оборудования (в том числе и с участием реальных деталей оного), а также служит для многократного выполнения функционально сложных подпрограмм и задач (решение уравнений в частных производных, обращение матриц, генерации непрерывных функций), тем самым значительно экономя вычислительную мощность цифрового модуля.
- Сбалансированные системы самые мощные. Они как правило состоят из универсальных цифровых и универсальных аналоговых вычислительных машин. При этом каждая из частей системы может функционировать автономно.
- Время-импульсный компьютер
- Частотно-импульсный компьютер
Отличительные особенности
В гибридной вычислительной системе устранены многие недостатки, свойственные каждому из типов вычислительных машин в отдельности, и объединены такие преимущества, как: [1] [2]
- высокая точность и быстродействие;
- многообразие возможностей управления и программирования, присущее цифровым системам;
- непосредственное взаимодействие с контролируемой и управляемой аппаратурой, присущее аналоговым системам.
- отсутствие в критичных узлах дополнительных преобразований физических величин и обусловленных этим временных задержек и погрешностей дискретизации.
- сравнительно малое количество простых элементов, реализующих сложные функциональные зависимости, присущее аналоговым системам.
Применение
Гибридными системами эффективно решаются следующие основные группы задач:
- Моделирование в реальном масштабе времени автоматических систем управления, содержащих как аналоговые, так и цифровые устройства;
- Воспроизведение в реальном масштабе времени процессов, содержащих высокочастотные составляющие и переменные, изменяющиеся в широком амплитудном и частотном диапазоне;
- Статистическое моделирование;
- Моделирование биологических систем;
- Решение уравнений в частных производных;
- Оптимизация систем управления.
Технические особенности
Высокая вычислительная мощность GPU объясняется особенностями архитектуры. Если современные CPU содержат несколько ядер (на большинстве современных систем от 2 до 4х, 2011 г.), графический процессор изначально создавался как многоядерная структура, в которой количество ядер измеряется сотнями. Разница в архитектуре обусловливает и разницу в принципах работы. Если архитектура CPU предполагает последовательную обработку информации, то GPU исторически предназначался для обработки компьютерной графики, поэтому рассчитан на массивно параллельные вычисления. [3]
Каждая из этих двух архитектур имеет свои достоинства. CPU лучше работает с последовательными задачами. При большом объеме обрабатываемой информации очевидное преимущество имеет GPU. Условие только одно – в задаче должен наблюдаться параллелизм.
GPUs have evolved to the point where many real-world applications are easily implemented on them and run significantly faster than on multi-core systems. Future computing architectures will be hybrid systems with parallel-core GPUs working in tandem with multi-core CPUs. [5]
Профессор Джек Донгарра (Jack Dongarra)
Директор Innovative Computing Laboratory
Университет штата Теннесси
Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.
Полезное
HRS-100
Примером автономного гибридного компьютера является HRS-100, который широко использовался в 1970-х годах.
Он был изобретен и разработан для изучения динамических систем в реальном и ускоренном масштабе времени. Также за оперативное решение широкого круга научных задач в институтах СССР.
Содержание
скорость
Эти компьютеры обладают огромной скоростью вычислений благодаря конфигурации, предлагаемой аналоговой системой. Это очень полезно при поиске численных результатов для дифференциальных уравнений, как в случае моделирования полета.
Для этих целей использовались аналоговые системы, потому что они были быстрее цифровых компьютеров и предлагали решения за меньшее время. Однако точность этих результатов была сомнительной.
Таким образом, гибридный компьютер обеспечивает быстрые и точные результаты, будучи чрезвычайно полезными при попытке решить сложные уравнения в реальном времени, и очень важно получать результаты мгновенно.
- Преимущество
См. также
Ссылки
- Amar ShanHeterogeneous Processing: a Strategy for Augmenting Moore's Law (англ.) . Linux journal. Архивировано из первоисточника 16 мая 2012.Проверено 13 сентября 2011.
Это заготовка статьи о компьютерах. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным. |
Мультипроцессорность (Симметричная · Асимметричная) · Память (NUMA · COMA · Распределённая · Разделяемая · Распределённая разделяемая) · Одновременная многопоточность
- Гибридные вычислительные машины
- Параллельные вычислительные системы
Wikimedia Foundation . 2010 .
Лучшее из аналогового и цифрового мира
Создав этот тип интегрированного компьютера, можно легко получить преимущества как аналоговых, так и цифровых вычислений.
Гибридный компьютер невероятно быстр, когда дело доходит до решения уравнений, даже если вычисления чрезвычайно сложны. Это происходит благодаря наличию важных аналоговых компонентов в конструкции оборудования.
Следовательно, гибридный компьютер может решать уравнения с той же способностью, что и аналоговый компьютер. Кроме того, цифровые элементы служат для исключения одного из основных недостатков полностью аналогового устройства.
Для сравнения, диапазон точности аналогового компьютера ограничен, в то время как точность цифрового компьютера намного выше.
Благодаря интеграции элементов, которые позволяют цифровому компьютеру с точностью до трех или четырех цифр, гибридные вычисления позволяют обрабатывать уравнения намного быстрее, чем с помощью только цифрового варианта.
Другими словами, гибридные вычисления предлагают скорость и точность, избавляя пользователя от необходимости довольствоваться только цифровым или аналоговым компьютером.
Стохастические процессы
К этой группе принято относить задачи, решаемые обработкой результатов многократной реализации случайного процесса.
- Решение многомерных уравнений в частных производных методом Монте-Карло
- Решение задач стохастического программирования
- Нахождение особых точек, экстремумов функций многих переменных.
Реализация случайного процесса аналоговой машиной во-первых, не требует пропорционального возрастания энергетических затрат при повышении быстродействия, а во-вторых, позволяет (в отличие от цифровых алгоритмов) снизить повторяемость генерируемых последовательностей, особенно при очень большой их длине.
Быстродействующая АВМ работает при этом в режиме многократного повторения решения, а обработка полученных на её выходах результатов, обработка граничных условий, вычисление функционалов — возлагается на ЦВМ. Кроме того, именно ЦВМ задаёт критерии и по ним определяет окончание обсчёта.
Гибридные решения позволяют сократить время решения задач такого типа на несколько порядков по сравнению с чисто цифровыми алгоритмами, а также, в ряде случаев, без существенных затрат повысить надёжность получаемых результатов.
Оптимизация управления
Решение задач оптимального управления при применении к объектам выше третьего порядка сталкивается с принципиальными трудностями.
Особенно возрастают сложности моделирования и получения решения, если оптимальное управление требуется искать на работающей системе.
Именно гибридные вычислительные системы позволяют устранить или хотя бы минимизировать эти трудности. Для этого с помощью ГВМ реализуют такие методы, как принцип максимума Понтрягина, чрезвычайно сложные в вычислительном отношении.
Примеры
Газовые насосы на станции обслуживания содержат процессор, который преобразует измерения расхода топлива в значения, соответствующие количеству и цене.
В бизнесе эти компьютеры могут использоваться в химической промышленности в качестве систем управления технологическими процессами.
Проблемы
Помимо преимуществ «разделения труда», гибридные вычислительные системы имеют свои собственные трудности проектирования, отсутствующие как в цифровом, так и в аналоговом оборудовании.
Главной проблемой являются погрешности дискретизации:
- временна́я задержка аналого-цифрового преобразователя, ЦВМ и цифро-аналогового преобразователя;
- ошибка округления в аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразователях;
- ошибка неодновременности выборки аналоговых сигналов на аналого-цифровой преобразователь
- ошибка неодновременной выдачи цифровых сигналов на цифро-аналоговый преобразователь
- ошибки, связанные с дискретным характером выдачи результатов с выхода ЦВМ.
Так как в гибридных системах происходит многократный двусторонний обмен данными между аналоговой и цифровой частями, то переменная величина временной задержки, вносимой программной обработкой, может привести к возникновению непредусмотренной моделью нелинейной обратной связи. При работе ЦВМ с АЦП и ЦАП преобразователями это не вызывает столь существенных проблем, а в гибридной вычислительной системе это может приводить к потере устойчивости и нарушить работоспособность всей системы.
Для оценки погрешности конкретного комплекса требуется чрезвычайно сложный анализ первичных погрешностей оборудования и вносимых преобразованиями вторичных погрешностей. Без этого невозможна разработка точных вычислительных комплексов.
Несмотря на то, что первичные погрешности АВМ и ЦВМ, из которых строятся гибридные системы, достаточно хорошо изучены, проблема оценки погрешности при решении с помощью гибридного комплекса нелинейных задач ещё не разрешена.
Классификация
Гибридные вычислительные машины, как и аналоговые, можно разделить на две основных группы:
- Специализированные — гибридные системы, рассчитанных на решение только одного класса задач, однако позволяющих делать это с максимальной эффективностью.
- Универсальные — гибридные системы, ориентированные на решение широкого класса задач. Построение таких систем означает написание специализированных программ под соответствующее оборудование и специальных программ, обслуживающих связь машин в единый комплекс, а также автоматизирующих процесс подготовки и постановки задач на едином языке программирования комплекса.
Также различают аналого-ориентированные, цифро-ориентированные и сбалансированные гибридные вычислительные системы.
- В аналого-ориентированных системах цифровой блок (блоки) используется как дополнительное внешнее устройство к основной АВМ . Использование ЦВМ в качестве периферийного узла подготовки и преобразования данных существенно повышает мощность и функциональные возможности аналоговой части гибридной системы.
- В цифро-ориентированные системы являются АВМ с цифровым управлением и логикой, они строятся на аналоговой вычислительной и дискретной логических сетях так, что аналоговая сеть реализует условия задачи, а дискретная поиск решений. АВМ моделирует элементы реального оборудования (в том числе и с участием реальных деталей оного), а также служит для многократного выполнения функционально сложных подпрограмм и задач (решение уравнений в частных производных, обращение матриц, генерации непрерывных функций), тем самым значительно экономя вычислительную мощность цифрового модуля.
- Сбалансированные системы самые мощные. Они как правило состоят из универсальных цифровых и универсальных аналоговых вычислительных машин. При этом каждая из частей системы может функционировать автономно.
Обработка данных онлайн
Ценность гибридного компьютера легко увидеть, когда необходимо управлять уравнениями в реальном времени.
Подобно тому, как строго аналоговое устройство обеспечит быструю отдачу, которая не является полностью точной, а цифровое устройство обеспечит более точные ответы, вычисление которых займет больше времени, гибридный подход позволяет получать ответы сейчас, а не позже.
Эти ответы также более подробны и полезны, чем быстрые ответы, предоставляемые аналоговым оборудованием.
Заблуждения
В литературе встречаются случаи ошибочного отнесения к гибридным вычислительным системам аналоговых вычислительных машин, имеющих отдельные элементы дискретной логики:
-
с параллельной логикой с цифровым программным управлением с многократным использованием решающих элементов, снабженные запоминающим устройством.
Следует заметить, что такие вычислительные машины сохраняют аналоговое представление как основное, а цифровые элементы несут исключительно вспомогательные функции.
Гибридная вычислительная система — система с гетерогенной аппаратной вычислительной структурой. Комбинация любых вычислительных устройств или блоков, например вычисления с помощью CPU и GPU совместно. [1] [2]
Частные производные
ГВМ эффективно применяются также в задачах, где главным является построение и решения нелинейных уравнений в частных производных.
Это могут быть как задачи анализа, так и задачи оптимизации и идентификации.
Примеры задач оптимизации:
- Подбор теплопроводного материала для заданного распределения температур по нелинейности его характеристик;
- Выбор геометрии летательных аппаратов для получения требуемых аэродинамических характеристик;
- Вычисление необходимого распределения толщины испаряющегося слоя, предохраняющего космические корабли от перегрева при входе в плотные слои атмосферы;
- Оптимизация системы подогрева летательного аппарата, предотвращающей обледенение с минимальными затратами на собственно подогрев;
- Расчёт ирригационной сети и установление оптимальных расходов в каналах оной.
При решении этих задач ЦВМ соединяется с сеточной моделью, многократно используемой в процессе решения.
Отличительные особенности
В гибридной вычислительной системе устранены многие недостатки, свойственные каждому из типов вычислительных машин в отдельности, и объединены такие преимущества, как:
- высокая точность и быстродействие;
- многообразие возможностей управления и программирования, присущее цифровым системам;
- непосредственное взаимодействие с контролируемой и управляемой аппаратурой, присущее аналоговым системам.
- отсутствие в критичных узлах дополнительных преобразований физических величин и обусловленных этим временных задержек и погрешностей дискретизации.
- сравнительно малое количество простых элементов, реализующих сложные функциональные зависимости, присущее аналоговым системам.
Заблуждения
В литературе встречаются случаи ошибочного отнесения к гибридным вычислительным системам аналоговых вычислительных машин, имеющих отдельные элементы дискретной логики:
- АВМ с параллельной логикой
- АВМ с цифровым программным управлением
- АВМ с многократным использованием решающих элементов, снабженные запоминающим устройством.
Следует заметить, что такие вычислительные машины сохраняют аналоговое представление как основное, а цифровые элементы несут исключительно вспомогательные функции.
Эти гибридные компьютеры компьютеры , которые имеют характеристики аналоговых и цифровых машин. Цифровое устройство используется для управления и решения логико-арифметических операций, а аналоговое устройство используется в качестве решателя для дифференциальных уравнений.
Как правило, приближенное решение сложных уравнений получается с использованием итерационных численных методов, которые требуют большого количества итераций, в зависимости от того, насколько хорошее начальное "начальное" окончательное значение и желаемая точность.
Аналоговое оборудование обычно работает на удивление быстро, потому что оно может решать чрезвычайно сложные уравнения относительно скорости прохождения сигнала по цепи, что составляет приличную часть скорости света.
Однако точность аналоговых компьютеров невысока, поскольку она ограничена тремя или максимум четырьмя знаками точности.
С другой стороны, цифровое оборудование производится таким образом, что решение уравнений доводится до почти точной точности, хотя и намного медленнее по сравнению с аналоговыми компьютерами.
Таким образом, для многих операций в реальном времени эти цифровые вычисления слишком медленны, чтобы их можно было использовать, но точность аналогового компьютера также недостаточна. Отсюда важность гибридных компьютеров.
Современное состояние
Рост вычислительной мощности микропроцессоров на несколько порядков, миниатюризация цифрового оборудования снизили потребность в построении гибридных систем для большинства описанных задач, и в настоящее время гибридные решения могут сохранять применение:
- при решении узкоспециализированных научных задач
- в системах управления миниатюрными летательными аппаратами
- в системах связи для роботов.
Читайте также: