Гибридные компьютеры: сочетание аналоговых и цифровых технологий.

Введение

Комбинация аналоговых и цифровых компьютеров – аналого-цифровые гибридные компьютеры.

Гибридные компьютеры – это компьютеры, сочетающие в себе характеристики аналоговых и цифровых компьютеров. Цифровой компонент обычно выполняет роль контроллера и обеспечивает логические и числовые операции, а аналоговый компонент часто используется для решения дифференциальных уравнений и других математически сложных задач.

История

Первой настольной гибридной вычислительной системой был Hycomp 250, выпущенный компанией Packard Bell в 1961 году. Другим ранним примером был HYDAC 2400, интегрированный гибридный компьютер, выпущенный компанией EAI в 1963 году. В 1980-х годах компания Marconi Space and Defense Systems Limited (под руководством Пегги Ходжес) разработала свой "гибридный компьютер Starglow", который состоял из трех аналоговых компьютеров EAI 8812, связанных с цифровым компьютером EAI 8100, который, в свою очередь, был связан с цифровым компьютером SEL 3200. В конце 20-го века гибридные системы стали реже использоваться по мере увеличения возможностей цифровых компьютеров, включая цифровые процессоры сигналов. В целом, аналоговые компьютеры чрезвычайно быстры, поскольку они способны решать большинство математически сложных уравнений со скоростью, с которой сигнал проходит по цепи, что обычно составляет значительную долю скорости света. С другой стороны, точность аналоговых компьютеров невелика; они ограничены тремя или, в лучшем случае, четырьмя знаками точности. Цифровые компьютеры могут быть построены для решения уравнений с практически неограниченной точностью, но значительно медленнее, чем аналоговые компьютеры. Как правило, сложные математические уравнения приближаются с помощью итеративных методов, требующих огромного числа итераций, в зависимости от того, насколько точна первоначальная "оценка" конечного значения и какая точность требуется. (Эта первоначальная оценка известна как числовое "семя".) Для многих задач в реальном времени в 20-м веке такие цифровые вычисления были слишком медленными, чтобы быть полезными (например, для высокочастотных фазированных антенных решеток или для расчетов погоды), но точности аналогового компьютера недостаточно. Гибридные компьютеры могут использоваться для получения очень хорошего, но относительно неточного "семенного" значения с помощью аналогового вычислительного модуля, который затем передается в итерационный процесс цифрового компьютера для достижения требуемой степени точности. При наличии трех- или четырехзначного, высокоточного числового "семени" общее время цифровых вычислений для достижения желаемой точности значительно сокращается, поскольку требуется гораздо меньше итераций. Одной из основных технических проблем, которые необходимо решить при создании гибридных компьютеров, является минимизация шума цифрового компьютера в аналоговых вычислительных элементах и системах заземления. Стоит отметить, что нервная система животных представляет собой форму гибридного компьютера. Сигналы передаются через синапсы от одной нервной клетки к другой в виде дискретных (цифровых) пакетов химических веществ, которые затем суммируются внутри нервной клетки аналоговым способом, формируя электрохимический потенциал до достижения порогового значения, после чего клетка генерирует и отправляет серию цифровых пакетов в следующую нервную клетку. Преимущества этого подхода как минимум тройны: шум в системе минимизирован (и, как правило, не является аддитивным), не требуется общая система заземления и наблюдается минимальное искажение сигнала, даже если активность клеток вдоль пути существенно различается (изменяются только задержки сигнала). Отдельные нервные клетки аналогичны аналоговым компьютерам; синапсы аналогичны цифровым компьютерам. Гибридные компьютеры отличаются от гибридных систем. Последние могут быть не более чем цифровым компьютером, оснащенным аналого-цифровым преобразователем на входе и/или цифро-аналоговым преобразователем на выходе для преобразования аналоговых сигналов для обычной обработки цифровых сигналов и наоборот, например, для управления физическими системами управления, такими как сервомеханизмы.

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.

Гибридный компьютерный чип VLSI

В 2015 году исследователи из Колумбийского университета опубликовали статью о гибридном компьютере малого масштаба, реализованном в 65-нм CMOS-технологии. Этот гибридный компьютер VLSI четвёртого порядка содержит 4 интеграторных блока, 8 блоков умножителя/установки коэффициента усиления, 8 блоков распределения (fanout) для распространения сигналов в токовой форме, 2 АЦП, 2 ЦАП и 2 блока SRAM. На чипе также реализованы цифровые контроллеры для выполнения внешних команд. Эксперимент с роботом, описанный в статье, демонстрирует применение этого гибридного вычислительного чипа в современных перспективных встраиваемых приложениях с низким энергопотреблением.