Computer Analog zurück in der Zeit

Nach mehreren Anfragen von vielen Seiten habe ich beschlossen, einen Artikel auf den Computer zu veröffentlichen (Computer) Analog.

Ich werde in diesem Papier versuchen, das Gerücht zu zerstreuen, dass sie sehr komplex sind, sicherlich nicht einfach, aber, nur weil sie erfordern einen anderen mentalen Ansatz von digitalen Computern.

Im Grunde haben wir nur zwei Arten von Computern an der Basis aller zukünftigen Entwicklungen, die analoge von Rechenschiebern abgeleitet bereits verwendet in 1600

Und die digitale ein, die aus dem Abakus stammt

In der Vergangenheit, ein schwieriges Problem mit der elektronischen Berechnung zu lösen, die Sie zwischen einem analogen Computer wählen könnten, ein digitaler Computer, oder beide zusammen in einer Hybridkonfiguration.

Für eine sehr komplexe mathematische Einbeziehung Differentialgleichungen und andere unordentlich Berechnungen, Analogrechner war unschlagbar. Differential-Instanzen in der Lage, fast sofort zu lösen.

Bei analogen Computern war normal parallele Berechnungen zu machen, viele Teile eines Problems gelöst werden könnten gleichzeitig, Beschleunigung der Lösung.

Dies machte die Simulation von großen und komplexen schnellen und praktischen physikalischen Systemen.

In der Vergangenheit waren digitale Computer sehr langsam, während er in der Lage ist zu programmierende Berechnungen und andere höhere mathematische Algorithmen zu tun, sie waren im Wesentlichen unpraktisch für Simulationen.

Wenn digitale Computer in der Geschwindigkeit wuchs es war klar, dass sie mit analogen Computer konkurrieren.

heute, fast jeder digitalen Computer, von großen Mainframe zu kleinerem PC, führt Berechnungen und andere höhere Mathematik in einem Blitz und mit unerreichter Präzision.

Das analoge konnte nicht mehr mithalten und sind einfach verschwunden. Genau wie viele andere elektronische Technologien, diese beeindruckenden Maschinen hatten ihre Lebenszyklus.

jedoch, Es war und ist immer noch eine coole Technologie. Analog Computer waren Konstanten und Variablen mit analogen Spannungspegel proportional. Diese werden dann von verschiedenen elektronischen Schaltungen verarbeitet, die mathematischen Operationen in analoger Form durchführen.

Die Schlüsselverarbeitungsschaltung war der Operationsverstärker.

Der Operationsverstärker leicht neu konfiguriert werden, kann eine breite Palette von mathematischen Operationen auszuführen, sum / Subtraktion, Multiplikation / Division, Integration und Differenzierung und vieles mehr. Der Operationsverstärker kann auch logarithmisch und trigonometrische Operationen mit besonderen nicht-linearen Rückkopplungsschaltungen auszuführen konfiguriert werden.

Per Programm ein analoger Computer war genug, um einfach die Gleichungen schreiben Sie wollten lösen, wandeln sie in einem Blockdiagramm, dann cablavano sie die zusammen verschiedene Berechnungselemente, die die einzelnen Bausteine ​​auf einer großen Platte zu bilden.

Beispiel mathematischer Auflösung

Nehmen wir an, zum Beispiel der mit einer Gleichung des Typs zu lösen

Taube , e Konstanten sind und e sind zeitlich veränderlichen Spannungen, die analogen entsprechende Funktionen der Zeit sein kann,.

Sie können die Gleichung lösen, die durch die Annahme des folgenden Verfahrens die physikalische System beschreibt:

• Isolieren des Derivats der Gleichung höherer Ordnung; es nimmt dann die Form
• 
• die Begriffe werden mit dem zweiten Element in einem Addierer zu dem Operationsverstärker gemäß dem folgenden Schema zugegeben, dann wird der Ausgang gleich zu
• anschließend integriert diese Ausgabe so oft wie notwendig ist, um das Problem der Variablen zu erhalten, dh das Zweifache
• realisiert dann eine Rückkopplungsschleife, die an den Eingängen der Addierer Werte zurückgibt e und wenn die Amplitude Fixes mit dem Eingang Potentiometern.
• Es gilt dann die Spannung an den anderen Eingang des Addierers. der Wert Es wird durch den Austausch von Zeichen erhalten mit einem anderen Betrieb Inverters

Die meisten Probleme wurden Realisierung Simulationsschaltungen gelöst, Auch große, komplexe Systeme chemische Prozesse oder Raumfahrt beteiligt.

Im Gesicht derer, die sagen, dass ein Analogrechner ist kompliziert zu programmieren.

Bei analogen Komponenten, Rechengenauigkeit war nicht so groß im Vergleich zu dem, was man mit einem digitalen Computer bekommen könnte, aber es war gut genug für die meisten Jobs.

Viele wirklich harte Probleme wurden auf diese Weise gelöst. Diese Computer gab Antworten auf die Berechnung, dass Sie sich nicht auf dem Papier mangels einer geeigneten Lösung finden konnten,.

Die Mathematik-Software verfügbar heute leicht, komplexe Probleme lösen, unmöglich, bis den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts.

Ein solches System simuliert die erste Apollo-Mission zum Mond bei der NASA in Houston.

Ein großes digitales System den langen Flug von der Erde zum Mond simuliert, während ein Paar von analogen Computern schnell Dynamik des Raumschiffes Apollo Simulation in den Anfangs- und Endbedingungen.

Die ADC und DAC-Schnittstellen zu den analogen und digitalen Kameras erlaubt den Austausch von Daten. Können Sie sich vorstellen, dass komplexe Gleichungen mit einem Hybridität simuliert werden .

Hybrid-Systeme wurden auch für die Luft- und Raumfahrt und Petrochemie-Unternehmen verwendet. Ein ähnliches System wurde von Bell Helicopter in Fort Worth verwendet, wo sie ihre Hubschrauber-Projekte simuliert.

Die meisten dieser Analogrechner waren die iterative, in dem sie schnell Ergänzungen und das Problem verwendet wurden, wurde gelöst und immer wieder zurückgefahren viele Male pro Sekunde.

Dies könnte die grafischen Ergebnisse auf einem Oszilloskop angezeigt werden. Indem dynamische Wechselwirkung der Lösung, die Erlaubnis, die Probleme zu sehen hat und optimieren Designs.

Erstes Betriebsventil

Die ersten Operationsverstärker waren die K2-W gebildet mit zwei Vakuumröhren 12AXT7.

Der erste Operations kommerzielle Mehrzweck, Es wurde von George A hergestellt. Philbrick Researches Incorporated nel 1952. Genannt K2-W, um zwei Doppel Trioden gebaut montiert, zusammen mit einem Oktalsockel (8-Stift) für einfache Installation und Wartung in dem Zeitrahmen von elektronischen Geräten. Was nur möglich, nachdem für diese kreisen wurde aus dem militärischen Geheimdienst genommen.

Die schematische Darstellung zeigt die zwei Röhren, zusammen zu zehn Widerstände und zwei Kondensatoren, ein ziemlich einfaches Design, aber, Lassen Sie uns daran erinnern, dass es die 1952:

Für den Fall, wissen Sie nicht, die Vakuumröhren, sie arbeiten in einer Weise analog zu der N-Kanal-MOSFET, sie führen mehr Strom, wenn das Steuergitter (die punktierte Linie) Es ist positiv in Bezug auf die Kathode (die gefaltete Linie nahe dem Boden des Pipesymbol) und führt weniger Strom, wenn das Steuergitter weniger positiv ist (oder negative) Bezug auf die Kathode. Die linke Doppel Triodenröhre arbeitet als Differenzpaar, Umwandeln der differentiellen Eingänge (invertierende und nicht-invertierende) in einer einzigen Signalspannung verstärkt. Ein solches Pilotsignal des linken Triode Steuergitter des zweiten Ventils über einen Spannungsteiler (1 M & OHgr; 2,2 M & Omega;). Das Trioden verstärkt und invertiert den Ausgang des Differenzpaares zu einer höheren Spannungsverstärkung, dann wird das verstärkte Signal für eine Stromverstärkung an den zweiten Triode desselben Rohres in einer nicht-invertierenden Verstärkerkonfiguration gekoppelt. die beiden “Neonröhren” wirken als Spannungsregler, ihr Verhalten ist ähnlich wie die Halbleiter-Zenerdioden, ihre Aufgabe ist es, eine Vorspannung in der Kopplung zwischen den beiden Trioden-Amplifikation bereitzustellen.

Mit einer Doppelversorgungsspannung +/- 300 Volt, Dieser Operationsverstärker ermöglicht eine Ausgangs Wanderung +/- 50 Volt, was es sehr schlecht ist nach heutigen Standards.

Die wesentlichen Merkmale waren:

• der Leerlaufspannungsverstärkung variabel von 15.000 ein 20.000 (Es hängt von der Alterung des Ventils)
• klettern Geschwindigkeit 12 Volt / us,
• maximaler Ausgangsstrom von 1 mA,
• im Ruhezustand über Dissipation 3 Watt (mit Ausnahme von Filamenten!)

Es kostete das bescheiden 24 Dollar dann, mehr oder weniger um 800 heutigen Dollars.

Das Hauptproblem bei all diesem ersten Verstärker war, dass es die DC-Offset für höchste Präzision zu erhalten zum Ausgleich hatte.

Heute haben wir ausgezeichnete Verstärker, Analogmultiplizierer und andere analoge Komponenten höherer Analyse.

Mehrmals fragte ich würde Sinn auf eine moderne Version eines analogen Computer machen?

Vielleicht könnte es sich um eine Lösung für einige schlechte Berechnung Problem als Forschungs Situation.

Ein spezieller Analogrechner könnte gebaut werden, um schnell die Gleichungen zu simulieren und mit der Fähigkeit, mit den verschiedenen Variablen zu spielen und so weiter. Es wäre sicher kleiner sein, billiger und genauer als die Monster aus der Vergangenheit. Die analogen Schaltungen sind immer noch von Natur aus schneller als digital so vielleicht könnte es passieren,.

jedoch, Dies ist nun eine verlorene Technologie. Mit dem digitalen eqiuipaggiati schnellen Computer mit DSP für die Simulation von mathematischen Formeln Software, dass Bedarf kann niemals einen analogen Computer?

Wie schade,.

Aber ich denke, wir das gleiche von vielen anderen verloren gegangenen elektronischen Technologien sagen kann,.

Zurück in die Zukunft Analog

Während ich Netzwerk für mögliche Integration Ideen Artikel documentavo stieß ich auf eine Veröffentlichung im letzten Jahr.

tatsächlich, Sie haben einen Analog / Hybrid-Computer Einrad erstellt. Es wird im Detail in einem IEEE-Dokument beschrieben :

N. Guo, und. Huang, T. mehr, S. Patil, C. hoch, M. Seok, S. Sethumadhavan, Andy. Tsividis, “Energieeffiziente Hybrid Analog / Digital Näherungsrechnung in stetiger Zeit,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 51, Nein. 7, pp. 1514-1524, Juli 2016 .

Das ist der Beweis, dass vielleicht die analogen Computer noch einen Platz in der Berechnung haben.

Die analoge sind besonders effizient bei der Berechnung, fast trivial Differentialgleichungen machen. Mit einer fast sofortigen Lösung. Das Spiel mit Variablen, können Sie verschiedene Bedingungen und Szenarien versuchen.

Analog Computer waren immer schnell, aber nicht immer korrekt. Sie litten und Offsetdrift, Bauteiltoleranzen und Degradation, und andere ähnliche Erkrankungen der analogen Schaltungen. heute, Verstärker und andere Komponenten sind extrem verbessert, dann ein Analogrechner mit überlegenen Eigenschaften ist erreichbar. Die wichtigste Frage ist,: “Es wäre hilfreich,, mit schnelleren Prozessoren und kostengünstig heute?” wahrscheinlich nicht, aber Sie könnten spezielle Versionen machen einzigartige Probleme zu lösen.

Professor Tsividis und seine Kollegen haben durch Schaffung eines Analog / Hybrid-Computing-Schaltung auf einem einzigen Chip in diesem Ansatz angenommen. CMOS 65 nm, der Computer ist in der Lage der Lösung nicht-lineare Differentialgleichungen 4 ° bestellen. Verwendung analoge Bausteine ​​bestehen aus Operationsverstärker in Klasse AB mit digital stützten Kalibrierung. Die Berechnungsgenauigkeit liegt im Bereich von 0,5% ein 5%, mit Lösungszeiten von weniger als einer Mikrosekunde bis zu einigen hundert Mikrosekunden.

Der fragliche Artikel beschreibt nur ein Computer Gleichungen lösen 4 ° bestellen, aber heute Tsividis und sein Team haben einen Chip 16 ° bestellen. Mit zwei von diesen auf einer Karte, Sie haben einen Computer erstellt 32 ° um die Schnittstellen zu einem Laptop über einen USB-Anschluss. Ein solches System kann einige ernste Probleme auf einem Desktop-Lösung – eine schöne Abwechslung von den großen analogen Systemen / Hybride aus der Vergangenheit, die ganze Räume gefüllt.

im allgemeinen, Analog ist immer noch eine gute Lösung für einige Probleme. jedoch, Es scheint nicht wahrscheinlich, dass wir jemals einen Analog / Hybrid-kommerzielle Computer erhältlich.

Allerdings spezieller Computer einfach mit modernen Schaltungen zu vernünftig Kosten konstruiert werden könnte.

Die Hoffnung, noch nie stirbt

Nach Untersuchungen der Universität Sannio in Benevent mit Mitteln aus dem US Office of Naval Research durchgeführt, Metamaterialien können entworfen werden, um zur Durchführung einer „photonischer calculation“ auf Lichtsignale die durch sie, und legt damit die theoretischen Grundlagen für die analogen Computer der Zukunft.

Metamaterialien sind künstlich Materialien mit speziellen elektromagnetischen Eigenschaften erstellt, und der makroskopischen Eigenschaften hängen nicht nur von der molekularen Struktur, sondern auch durch die Geometrie Ausführungsform.