Какие аналоговые функциональные блоки есть в аналоговых компьютерах
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.
Аналоговый функциона́льный блок, блок операционный — совокупность элементов АВМ структурного типа, которые реализуют какую-либо одну математическую операцию. Эти элементы объединяются в систему для решения задач в соответствии со структурной схемой модели, образуя модель задачи. [1]
Характеристика
Как у любого устройства, у аналогового компьютера есть характеристики. Но самая основная - добротность. Эта обобщенный параметр машины, который имеет определенную формулу. Некоторые значения зависят от уровня помех, также на них влияют ошибки и точности.
Примечание
Принято считать, что мозг человека - самое популярное «аналоговое устройство». Ученые считают его сильным и работоспособным прибором, который когда-либо существовал. Конечно, с таким утверждением можно поспорить, поскольку работа импульсов осуществляется за счет дискретных сигналов. Но данные в нервной системе не имеют цифровой вид.
Цифровые и аналоговые компьютеры объединились, и получились нейрокомпьютеры. Это гибридные устройства, которые, хотя и относят к аналоговым, построены на цифровых ЭВМ. Эти машины работают аналогично клеткам мозга.
Разновидности
- специализированную - для узких специальных задач;
- универсальную - для любых вариант заданий.
Далее все аналоговые компьютеры можно распределить на зависимые от разновидности рабочего тела, по конструктивным признакам и по типу функционирования.
Блоки
К аналоговым функциональным блокам относятся:
- блок суммирования (сумматор)
- масштабное звено
- блок нелинейности
- множительно-делительное устройство
- усилитель операционный
- блок переменных коэффициентов
Примечания
Функционирование
В эту группу относят устройства:
- быстрые;
- медленные;
- итеративные.
Быстрый тип настроен так, что этапы решения процессов повторяются в автоматическом режиме. Это сделано благодаря системе коммутации. Частота повторений зависит от характеристик деталей. Для работы с подобной скоростью требуется сложная конструкция. Преимуществом такой машины является возможность наблюдения за результатами экспериментов.
Медленный тип имеет однократное действие. Решение обычных процессов в этом случае может занимать от нескольких секунд до нескольких минут. Результат исследований можно увидеть только после окончания всех циклов.
Итеративная АВМ использует для решения итерационный способ. Машина подобного типа позволяет управлять ходом эксперимента в определенные отрезки времени.
Полезное
Интегросумматор
Интегросумматор (интегро-сумматор) — аналоговый функциональный блок в АВМ структурного типа, в котором выходная величина и входные величины , связаны зависимостью:
,
где — коэффициент передачи по i-му входу, а — начальное значение входной переменной, определяемое из начальных условий.
Интегросумматор представляет собой обычный интегратор с несколькими входами. Напряжение на его выходе:
.
Активные разработки
С XVII века начинается активная разработка аналоговых устройств. Так появляется логарифмическая линейка, которую, хотя и не назовешь компьютером, все же можно отнести к аналоговому вычислительному прибору.
Буквально через 20 лет появляется «паскалина», а после машина Морленда. В XIX веке изобретен планиметр, который помогал в то время находить площадь кривой. Позже — интегратор, который не похож на аналоговый компьютер, все же является прибором, легко высчитывающим интегралы.
В XX веке активной разработкой начали заниматься российские ученые. Например, Алексей Крылов придумал прибор, который помогал решать дифференциальные уравнения. Позже это изобретение использовали для проектирования кораблей.
Спустя 8 лет было создано оборудование на основе того, что придумал Крылов, но занимающиеся интегрированием дифференциальных уравнений. Вскоре появляется механическое интегрирующее изобретение и электродинамический счетно-аналитический прибор.
Механическая АВМ стала известна благодаря Конраду Цузе, который создал Z1. С появлением усилителя АВМ, не имеющие движущихся частей, начали работать на постоянном токе.
СССР также занималась разработками. Поэтому уже в 1949 году были выпущены АВМ на постоянном токе. Тут же появляется первый нейрокомпьютер-перцептрон. Все эти изобретения привели к тому, что в 60-е годы XX века аналоговые компьютеры стали главным помощником ученых по всему миру.
Использование машин
Электронные аналоговые компьютеры известны уже давно, поэтому прошли определенную стадию совершенствования. Эти устройства основаны на задании физических параметров элементов. Обычно этот процесс происходит за счет включения и исключения некоторых блоков из системы.
До того как АВМ достигла пика своего развития, подобные устройства применялись в авиации и ракетной технике. Машины в этом случае помогали быстро обрабатывать данные и формировать сигналы для управления. Так стали известны автопилоты и более сложные системы управления полетами.
В автомобиле также можно найти аналоговую систему. Здесь ею является трансмиссия. Когда вращающий момент изменяется, жидкость меняет давление в гидроприводе. Таким образом происходит определенный коэффициент передачи.
Как уже упоминалось ранее, часто АВМ относят к узкоспециальным устройствам, поэтому их применяют для особых задач. Ранее был известен кулачковый механический аналоговый прибор. Его использовали в паровозостроении.
Механические компьютеры стали популярны в сфере космоса. Они помогали собирать данные благодаря индикаторам поверхности. До 2002 года был известен компьютер «Глобус», который справлялся с подобными задачами.
Есть аналоговые приборы и в военной технике. Они отвечают за управление огнем артиллерии, вычисления разных показателей во время сражений и т. п. В этом случае используются быстрые машины, которые легко справляются в условиях помех.
Содержание
Полезное
Конструктивные признаки
АВМ матричного типа имеет отдельные элементы, которые объединяют строго в группы по определенным признакам. Этот вариант подходит для создания дифференциальных уравнений. Но выполнение процессов нужно настраивать определенным образом.
Группы, которые имеют определенные признаки, работают каждая со своим заданием. Для корректного исследования нужно использовать масштаб. Этот тип имеет низкую эффективность.
Структурный тип АВМ представлен устройствами, имеющими вычислительные блоки. В этом случае они объединены не строго, а благодаря задачам, которые нужны для разбора операции. Рассчитана машина на математическое моделирование.
Смотреть что такое "Аналоговый функциональный блок" в других словарях:
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
Инвертор — У этого термина существуют и другие значения, см. Инвертор (значения). Схема аналогового инвертора … Википедия
Интегратор (устройство) — У этого термина существуют и другие значения, см. Интегратор (значения). Аналоговый интегратор … Википедия
Дифференциатор — Схема идеального и реального дифференциаторов Дифференциатор, устройство дифференцирующее аналоговый функциональный блок в АВМ структур … Википедия
РМ 4-239-91: Системы автоматизации. Словарь-справочник по терминам. Пособие к СНиП 3.05.07-85 — Терминология РМ 4 239 91: Системы автоматизации. Словарь справочник по терминам. Пособие к СНиП 3.05.07 85: 4.2. АВТОМАТИЗАЦИЯ 1. Внедрение автоматических средств для реализации процессов СТИСО 2382/1 Определения термина из разных документов:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Электронный усилитель — Электронный усилитель усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное … Википедия
Ваттметр — (ватт + др. греч. μετρεω «измеряю») измерительный прибор, предназначенный для определения мощности электрического тока или электромагнитного сигнала. Содержание 1 Классификация … Википедия
Варметр — Ваттметр (ватт + гр. μετρεω измеряю) измерительный прибор, предназначенный для определения мощности электрического тока или электромагнитного сигнала. Содержание 1 Классификация 2 Ваттметры низкой частоты и постоянного тока … Википедия
Измеритель мощности — Ваттметр (ватт + гр. μετρεω измеряю) измерительный прибор, предназначенный для определения мощности электрического тока или электромагнитного сигнала. Содержание 1 Классификация 2 Ваттметры низкой частоты и постоянного тока … Википедия
3.11 функциональный блок (functional unit): Объект аппаратного средства и/или программного обеспечения, выполняющий определенную задачу.
2.1.5. функциональный блок: Часть НКУ, содержащая электрические и механические элементы и обеспечивающая выполнение одной функции.
5.2.3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ БЛОК
Функционально самостоятельная часть автоматической системы управления, выполняющая определенную управляющую функцию.
Частными случаями функционального блока являются: воспринимающий блок, задающий блок, управляющий блок, блок фиксации (блок памяти), исполнительный блок, блок (элемент) сравнения и т.п.
3.1.2 функциональный блок: Часть взаимосвязанных аппаратов ВРУ или панели (многопанельного ВРУ), обеспечивающая выполнение определенной функции по 3.1.1.
Примечание - Аппараты блока могут быть не объединены единой съемной конструктивной основой.
3.2.1 функциональный блок (functional unit): Объект аппаратного или программного обеспечения или обоих, способный к выполнению определенного назначения.
Примечание - В МЭС 191-01-01 вместо функционального блока используется более общий термин «элемент». Элемент может иногда включать людей.
2.1.5 функциональный блок: Часть НКУ, содержащая электрические и механические элементы и обеспечивающая выполнение одной функции.
2.1.5. функциональный блок : Часть НКУ, содержащая электрические и механические элементы и обеспечивающая выполнение одной функции.*
Базовые элементы
Помимо вышеописанных блоков, есть основные элементы, которые имеют свои определенные параметры. Существует емкостное ЗУ, которое основывается на конденсаторных свойствах и может хранить напряжение.
Делитель напряжения также относится к ЗУ. В этом случае на работу влияют углы поворота реостатов. Они зависят от запоминаемых величин. К основным блокам относят запоминающую пару, которая часто представлена операционным усилителем. Один может функционировать в отслеживании входного сигнала, второй - в хранении.
Особенности
Аналоговая вычислительная машина с легкостью справляется с автоматической регуляцией разных процессов производства. Это связано с тем, что АВМ быстро реагирует на любые изменения данных. Поэтому подобное устройство будет выгодно во время научных исследований, когда входные значения могут меняться во время процесса.
АВМ может стать полезна в науке, которая не требует дорогих электроприборов. Устройствам достаточно уметь имитировать изучаемые процессы. Иногда подобная машина нужна в том случае, чтобы решать задачи, не требующие такой точности вычислений, как в случае с задачами для ЭВМ.
Электронные аналоговые компьютеры легко справляются с дифференциальными уравнениями, интегрированиями и пр. Чтобы решить подобные задачи, достаточно использовать специальные схемы и узлы. В случае с АВМ подобных команд не требуется, поэтому работа этого устройства несколько проще.
Работа устройства
Непросто точно определить, когда же появился самый первый компьютер в мире. В этом случае чаще всего вспоминают IBM, разработанный в Гарварде в 1941 году. А вот на этот счет об АВМ никакой подобной информации нет. Но сейчас это уже не так важно. Намного интереснее принцип действия.
Аналоговый компьютер занимается вычислениями, все цифровые данные могут меняться в зависимости от получаемых результатов. Последние представлены графиками, которые обычно отображены на бумаге или дисплее. Также результат можно получить в виде электрического сигнала. Он параллельно контролирует процесс вычисления и функционирование оборудования.
Понятие
АВМ - это аналоговый компьютер, являющийся неким прообразом вычислительной машины. Он работает с числовыми данными, которые разрабатываются благодаря аналоговым физическим параметрам. Сюда можно отнести показатели скорости, длины, силы, давления и пр.
Помимо алгоритмов работы аналоговый компьютер отличается от ЭВМ тем, что лишен программы управления. То есть нет специальных команд, которые бы помогали ему справляться с задачами. В этом случае задание ставится перед машиной самим внутренним устройством и установленными настройками.
Примеры
Примеров аналоговых компьютеров за время их существования собралось множество. К примеру, в 1962 году была создана АВМ «Итератор». Она помогала решать особый вид задач, связанный с линейными уравнениями. Этот прибор функционирует благодаря особому способу, которым ученые обязаны Ньютону. Также «Итератор» справляется с линейными алгебраическими уравнениями.
Также миру известно целая серия устройств «МН». Название является аббревиатурой - «модель нелинейная». Изначально устройство должно было работать с задачами Коши. Самым ярким представителем линейки является «МН-18». Это средней мощности прибор, который может решать сложные динамические системы. Делает он это с помощью математического моделирования.
Также стоит упомянуть о Тележке Монте-Карло. Этот компьютер появился благодаря Энрико Ферми. Он был рассчитан на исследование движения нейтронов. Для получения результатов был взят за основу метод Монте-Карло.
ZAM - это очередное семейство аналоговых машин, которые были созданы в Варшаве. Их производство началось в 60-е годы XX века. Каждое устройство работало на основе двоичной системы исчисления.
Смотреть что такое "функциональный блок" в других словарях:
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ БЛОК — (англ. functional block) структурная единица алфавита преобразований входной информации в кратковременной памяти. В терминах такого алфавита м. б. качественно описаны как элементарные, так и более сложные познавательные действия. Понятие блока… … Большая психологическая энциклопедия
функциональный блок — funkcinis blokas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. functional block; functional unit vok. funktionelle Einheit, f; Funktionsbaugruppe, f; Funktionsblock, m; Funktionseinheit, f rus. функциональный блок, m pranc. bloc fonctionnel, m … Automatikos terminų žodynas
функциональный блок управляющего устройства коммутационной техники связи — функциональный блок Блок управляющего устройства коммутационной техники связи, выполняющий совокупность операций, связанных с определенной задачей или группой задач управления. [ГОСТ 21835 84] Тематики электросвязь, основные понятия Обобщающие… … Справочник технического переводчика
функциональный блок (в НКУ) — функциональный блок Часть НКУ, содержащая электрические и механические элементы и обеспечивающая выполнение одной функции. [ГОСТ Р 51321.1 2000 (МЭК 60439 1 92)] функциональный блок Часть взаимосвязанных аппаратов ВРУ или панели (многопанельного… … Справочник технического переводчика
функциональный блок (в НКУ) — функциональный блок Часть НКУ, содержащая электрические и механические элементы и обеспечивающая выполнение одной функции. [ГОСТ Р 51321.1 2000 (МЭК 60439 1 92)] функциональный блок Часть взаимосвязанных аппаратов ВРУ или панели (многопанельного… … Справочник технического переводчика
функциональный блок (в НКУ) — функциональный блок Часть НКУ, содержащая электрические и механические элементы и обеспечивающая выполнение одной функции. [ГОСТ Р 51321.1 2000 (МЭК 60439 1 92)] функциональный блок Часть взаимосвязанных аппаратов ВРУ или панели (многопанельного… … Справочник технического переводчика
функциональный блок (в НКУ) — функциональный блок Часть НКУ, содержащая электрические и механические элементы и обеспечивающая выполнение одной функции. [ГОСТ Р 51321.1 2000 (МЭК 60439 1 92)] функциональный блок Часть взаимосвязанных аппаратов ВРУ или панели (многопанельного… … Справочник технического переводчика
функциональный блок на стационарной монтажной плате — Рис. Schneider Electric Функциональный блок на стационарной монтажной плате Тематики НКУ (шкафы, пульты, . ) Синонимы стационарный выдвижной блок EN feeder on fix systemfixed mounting plate … Справочник технического переводчика
функциональный блок на отсоединяемой монтажной плате — Рис. Schneider Electric Функциональный блок на отсоединяемой монтажной плате Тематики НКУ (шкафы, пульты, . ) EN disconnectable mounting plate functional unit … Справочник технического переводчика
Аналоговый блок
В описании аналогового компьютера должны присутствовать его элементы. В операционный блок входят такие детали, которые заняты одной из задач. Всех их можно объединить в систему, чтобы работать над одной операцией по определенной модели.
Блоки АВМ можно поделить на несколько групп:
- линейная;
- нелинейная;
- логическая.
В линейную группу входят детали, которые занимаются математическими операциями. К нелинейной группе относят блоки, работающие с нелинейной зависимостью функции от разных переменных. Логическая группа содержит элементы непрерывной, дискретной логики.
Существует несколько видов аналоговых компьютеров, поэтому их состав может несколько отличаться от имеющихся вариантов.
Квадратор
Функциональный преобразователь, осуществляющий возведение в квадрат входной переменной. Передаточная функция квадратора реализуется кусочно-линейной аппроксимацией в первом квадранте системы координат. Работа квадратора при разнополярных входных сигналах обеспечивается знакоинвертирующим усилителем. Квадраторы преимущественно конструируются на базе диодных блоков.
Смотри также родственные термины:
25. Функциональный блок управляющего устройства коммутационной техники связи
Блок управляющего устройства коммутационной техники связи, выполняющий совокупность операций, связанных с определенной задачей или группой задач управления
Начало истории
Прежде чем появился самый первый компьютер в мире, устройству пришлось пройти сложный путь. Считается, что аналоговый аппарат, который дал развитие подобным устройствам, впервые был разработан в 100 году до нашей эры. Антикитерский механизм нашли спустя 2 тысячи лет. Прибор получил свое название благодаря месту, где был найден - остров Антикитера.
Также довольно популярным считается астролябия. Это изобретение было известным в научных кругах среди астрологов и астрономов еще до нашей эры, помогало определять местоположение звезд на небе и разбираться в длительности суток.
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
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
Сейчас почти в каждом доме стоит компьютер для работы, учебы, развлечений или всего сразу. Современный ПК появился благодаря электронно-вычислительной машине, поэтому под ЭВМ часто подразумевают старую версию компьютера. Но мало кто знает о существовании АВМ.
Тип рабочего тела
Возможности аналогового компьютера определили его тип. Но не только функционирование влияет на дифференциацию устройств. Все также зависит от типа рабочего тела. Так, встречаются:
- механические;
- пневматические;
- гидравлические;
- электрические;
- комбинированные;
- электромеханические.
К механическому типу относят такие устройства, которые имеют механические перемещения. Из-за особенностей этого варианта машины необходимо масштабировать переменные, а также вести силовой расчет конструкции и мертвых ходов.
Этот тип имеет свои достоинства и недостатки. Машина надежная и справляется с различными математическими задачами. Вместе с тем имеет высокую стоимость, непростой механизм разработки и крупные размеры.
Пневматический вид работает с показателями давления воздуха. Для получения результатов необходимо обзавестись построенной сетью. В составе этой машины часто можно увидеть дроссели, емкости и мембраны.
Этот тип АВМ практически не имеет каких-либо погрешностей. Сейчас часто его можно встретить в промышленности, которая требует повышенной вибрационной стойкости и работе при перепадах температур.
Гидравлический тип работает с дифференциальными уравнениями, которые связаны с протеканием воды. Ранее эти машины можно было встретить во многих фирмах, до 80-х годов XX века. Сейчас есть лишь две гидравлические АВМ, которые находятся в музее.
По аналогии можно догадаться, что электрические устройства берут за показатели электрическое напряжение постоянного тока. Популярны благодаря надежным свойствам, скорости работы, удобному регулированию и точным конечным данным.
Электромеханический тип имеет механические и электрические переменные величины. Для машины этого вида характерны вращающиеся трансформаторы и тахогенераторы. Устройство имеет скользящие контакты, поэтому менее надежно, чем предыдущие варианты.
Читайте также: