Аналоговые компьютеры решают задачи представляя переменные и константы в виде напряжения. Данные величины позже будут обрабатываться электронными схемами, которые и выполняют вычислительный процесс.
Аналоговые компьютеры предназначены в первую очередь для имитации физических систем. Это делается путем написания математических уравнений, описывающих функции и процессы этой системы. Аналоговые схемы особенно хороши при исчислении, что делает дифференциальные уравнения почти тривиальными. После чего для производства математических операций собирается набор определенных схем, и – получаем практически мгновенное решение. Экспериментируя с переменными, вы можете проверить различные условия и сценарии.
Основным элементом, производящим вычисления, в аналоговом компьютере является операционный усилитель. Он может работать как компаратор, инвертор или интегратор. Другие общие схемы включают в себя сумматоры, логарифмические усилители, множители/делители и другие элементы схемы. Все эти схемы, как правило, связываются проводами на большом сборном щитке.
Цифровая эволюция
Аналоговые компьютеры были на вершине популярности в 1960-х и 1970-х годах. Хотя к тому времени существовали уже и цифровые компьютеры, однако они были слишком медленны для большинства математических операций, особенно по вычислению больших и сложных задач, например в аэрокосмической или химической областях. Также стоит отметить, что именно аналоговые компьютеры сыграли очень важную роль в программе «Аполлон», позволив сымитировать систему управления космическими аппаратами и динамику их поведения.
В течении этого периода происходило объединение аналоговых и цифровых компьютеров в так называемые гибридные компьютеры. Крупные задачи разделялись на сегменты, подходящие для каждого типа вычислений. Цифровые модули выполняли точные вычисления с меньшей скоростью, в то время как аналоговые модули выполняли быстрые и сложные математические вычисления, но с меньшей точностью. Эти два вида компьютеров обменивались информацией между собой с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).
Но вскоре цифровые компьютеры стали гораздо быстрее и «умнее» благодаря более высокопроизводительному «железу» и программному обеспечению, практически полностью уничтожив их аналоговых братьев.
Возвращение к аналоговому будущему
Аналоговые компьютеры были всегда быстрее, но не всегда достаточно точны. Также они страдали от таких явлений как дрейф и смещения нуля операционного усилителя, разбалансировки компонентов схемы (например, изменение сопротивления элементов от жары или холода), а также от других традиционных неисправностей в аналоговых схемах. На сегодняшний день элементная база значительно улучшилась, что позволяет предположить о «перерождении» аналогового компьютера. Главный вопрос заключается в следующем – а будет ли это выгодно, учитывая огромнейшее количество на рынке дешевых и быстродействующих процессоров? Скорее всего – нет. Но аналоговые устройства могут применяться для решения специфических или уникальных задач.
Профессор Цивидис и его коллеги в значительной степени подтвердили этот подход, создав аналогово-гибридную вычислительную схему на одной плате. Используя 65-нм КМОП, компьютер способен решать нелинейные дифференциальные уравнения до 4-го порядка. Аналоговые блоки, такие как операционные усилители, работают в классе AB и имеют цифровую калибровку. Точность вычислений находится в диапазоне от 0,5% до 5%, а время решения составляет от микросекунды до нескольких сотен микросекунд.
Честно говоря, аналоговые системы по-прежнему являются хорошим решением для некоторых задач. Тем не менее, вряд ли мы когда-либо увидим коммерческий аналоговый компьютер общего назначения. Но специализированные компьютеры могут быть легко построены с использованием современных схем по разумной цене.
