Аналогтық және сандық компьютерлердің үйлесімі

Кіріспе

Аналогты және цифрлық компьютерлердің үйлесімі. Аналогты-цифрлық гибридтік компьютерлер. Гибридтік компьютерлер – аналогты және цифрлық компьютерлердің қасиеттерін біріктіретін компьютерлер. Цифрлық бөлігі әдетте басқарушы ретінде жұмыс істейді және логикалық және сандық операцияларды жүзеге асырады, ал аналогтық бөлігі көбінесе дифференциалдық теңдеулерді және басқа да математикалық тұрғыдан күрделі мәселелерді шешуге қолданылады.

Тарих

Алғашқы гибридтік есептеу жүйесі 1961 жылы Packard Bell компаниясы шығарған Hycomp 250 болды. Тағы бір ерте мысалы – 1963 жылы EAI шығарған интеграцияланған гибридтік компьютер HYDAC 2400. 1980 жылдары Marconi Space and Defense Systems Limited (Peggy Hodges басшылығымен) «Starglow Hybrid Computer» әзірледі, ол үш EAI 8812 аналогтық компьютерінен және EAI 8100 цифрлық компьютеріне қосылған SEL 3200 цифрлық компьютерінен тұрды. 20-ғасырдың соңында цифрлық компьютерлердің, соның ішінде цифрлық сигнал процессорларының мүмкіндіктері артуымен гибридтік компьютерлердің саны азайды. Жалпы, аналогтық компьютерлер өте жылдам, себебі олар математикалық тұрғыдан күрделі теңдеулерді сигналдың тізбек арқылы өту жылдамдығымен шеше алады, бұл көбінесе жарық жылдамдығының елеулі бөлігін құрайды. Алайда, аналогтық компьютерлердің дәлдігі төмен, олар үш, ең көп дегенде төрт таңбалық дәлдікпен шектеледі. Цифрлық компьютерлерді теңдеулерді шешуде шексіз дәлдікке жеткізуге болады, бірақ аналогтық компьютерлермен салыстырғанда бұл өте баяу процеске айналады. Күрделі математикалық теңдеулер көбінесе итеративтік әдістермен жуықталады, бұл итерациялардың саны соңғы мәнге жасалған бастапқы «болжамның» дұрыстығына және қажетті дәлдік деңгейіне байланысты өте көп болуы мүмкін. (Осы бастапқы болжам сандық «тұқым» деп аталады.) 20-ғасырдың көптеген нақты уақыт операциялары үшін мұндай цифрлық есептеулер тым баяу болды (мысалы, өте жоғары жиілікті фазалық антенналық радарлар немесе ауа-райы есептеулері үшін), бірақ аналогтық компьютердің дәлдігі жеткіліксіз болды. Гибридтік компьютерлерді аналогтық компьютердің көмегімен өте жақсы, бірақ салыстырмалы түрде дәл емес «тұқымдық» мәнді алу үшін пайдалануға болады, содан кейін ол цифрлық компьютердің итеративтік процесіне беріліп, қажетті дәлдікке жетеді. Үш немесе төрт таңбалы, жоғары дәлдікке ие сандық тұқымды пайдаланғанда, қажетті дәлдікке жету үшін цифрлық есептеу уақыты күрт қысқарады, себебі итерациялардың саны азаяды. Гибридтік компьютерлердегі ең маңызды техникалық мәселелердің бірі – аналогтық есептеу элементтері мен жерге қосу жүйелеріндегі цифрлық компьютердің шуын азайту болып табылады. Жануарлардың жүйке жүйесі гибридтік компьютердің бір түрі екенін ескеру қажет. Сигналдар бір жүйке жасушасынан екіншісіне химиялық заттардың дискретті (цифрлық) пакеттері түрінде синапстар арқылы беріледі, содан кейін жүйке жасушасында электрхимиялық потенциал құрылып, аналогтық түрде жиналады, оның шегіне жеткенде жасуша разряд болып, келесі жүйке жасушасына цифрлық пакеттерді жібереді. Бұл тәсілдің кемінде үш артықшылығы бар: жүйедегі шу азайтылады (және жиналмайды), ортақ жерге қосу жүйесі қажет емес және сигналдың жол бойындағы жасушалардың белсенділігіндегі айырмашылықтарға қарамастан, сигналдың нашарлауы минималды болады (тек сигналдың кешігуі өзгереді). Жеке жүйке жасушалары аналогтық компьютерлерге, ал синапстар цифрлық компьютерлерге ұқсас. Гибридтік компьютерлер гибридтік жүйелерден өзгеше. Соңғысы кіріс және/немесе шығыс жағынан аналогтық-цифрлық түрлендіргішпен жабдықталған цифрлық компьютер ғана болуы мүмкін, бұл аналогтық сигналдарды кәдімгі цифрлық сигналды өңдеу үшін және керісінше, мысалы, сервомеханизмдер сияқты физикалық басқару жүйелерін басқару үшін түрлендіруге мүмкіндік береді.

The first desktop hybrid computing system was the Hycomp 250, released by Packard Bell in 1961. Another early example was the HYDAC 2400, an integrated hybrid computer released by EAI in 1963. In the 1980s, Marconi Space and Defense Systems Limited (under Peggy Hodges) developed their "Starglow Hybrid Computer", which consisted of three EAI 8812 analog computers linked to an EAI 8100 digital computer, the latter also being linked to an SEL 3200 digital computer. Late in the 20th century, hybrids dwindled with the increasing capabilities of digital computers including digital signal processors. In general, analog computers are extraordinarily fast, since they are able to solve most mathematically complex equations at the rate at which a signal traverses the circuit, which is generally an appreciable fraction of the speed of light. On the other hand, the precision of analog computers is not good; they are limited to three, or at most, four digits of precision. Digital computers can be built to take the solution of equations to almost unlimited precision, but quite slowly compared to analog computers. Generally, complex mathematical equations are approximated using iterative methods which take huge numbers of iterations, depending on how good the initial "guess" at the final value is and how much precision is desired. (This initial guess is known as the numerical "seed".) For many real time operations in the 20th century, such digital calculations were too slow to be of much use (e. g., for very high frequency phased array radars or for weather calculations), but the precision of an analog computer is insufficient. Hybrid computers can be used to obtain a very good but relatively imprecise 'seed' value, using an analog computer front end, which is then fed into a digital computer iterative process to achieve the final desired degree of precision. With a three or four digit, highly accurate numerical seed, the total digital computation time to reach the desired precision is dramatically reduced, since many fewer iterations are required. One of the main technical problems to be overcome in hybrid computers is minimizing digital computer noise in analog computing elements and grounding systems. Consider that the nervous system in animals is a form of hybrid computer. Signals pass across the synapses from one nerve cell to the next as discrete (digital) packets of chemicals, which are then summed within the nerve cell in an analog fashion by building an electro chemical potential until its threshold is reached, whereupon it discharges and sends out a series of digital packets to the next nerve cell. The advantages are at least threefold: noise within the system is minimized (and tends not to be additive), no common grounding system is required, and there is minimal degradation of the signal even if there are substantial differences in activity of the cells along a path (only the signal delays tend to vary). The individual nerve cells are analogous to analog computers; the synapses are analogous to digital computers. Hybrid computers are distinct from hybrid systems. The latter may be no more than a digital computer equipped with an analog to digital converter at the input and/or a digital to analog converter at the output, to convert analog signals for ordinary digital signal processing, and conversely, e. g., for driving physical control systems, such as servomechanisms.

VLSI гибридті компьютерлік чип

2015 жылы Колумбия университетінің зерттеушілері 65 нм CMOS технологиясында жасалған шағын гибридтік компьютер туралы мақала жариялады. Бұл 4-ретті VLSI гибридтік компьютері 4 интегратор блогы, 8 көбейтілгіш/күшейтуді реттеу блогы, 8 ток режиміндегі сигналдарды таратуға арналған fanout блогы, 2 АҚТ (ADC), 2 СҚТ (DAC) және 2 SRAM блогынан тұрады. Сыртқы нұсқауларды орындау үшін чипке цифрлық басқару құрылғылары да орнатылған. Мақаладағы роботтық тәжірибе гибридтік есептеу чипін бүгінгі таңдағы жаңа, аз қуатты кіріктірілген қолданбаларда пайдалану мүмкіндігін көрсетеді.