Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 113
Являются ли рассмотренные выше механизмы аналоговыми вычислительными машинами? Безусловно. Правда, используя нынешнюю классификацию ЭВМ, их стоит отнести к специализированным вычислителям, ориентированным на решение узкого класса задач. Как и всякие специализированные решения, подобные конструкции были хороши в конкретных областях применения. Конечно, изменяя характеристики их элементов, можно было добиться расширения класса решаемых задач, однако ограничения подобия процесса, заложенного в их конструкцию, определённому, зачастую фиксированному, виду реальных процессов сильно ограничивало возможности их применения. Кроме того, «программирование» подобных вычислителей в большей степени являлось искусством и сильно зависело от умения выбрать правильную целевую функцию, что, конечно же, являлось далеко не формализуемой процедурой, а, скорее, экспериментальным поиском.
Развитие электроники позволило к середине прошлого столетия внести элемент упорядоченности в экспериментальный хаос аналоговых вычислителей. Базовой единицей такой упорядоченности стал разработанный в сороковые годы операционный усилитель. Операционным этот усилитель постоянного тока с дифференциальным входом называется не зря. Ведь его конструкция создавалась специально для моделирования базовых математических операций, таких, как дифференцирование и интегрирование. В связке с RC-цепочками, а также потенциометрами и сервоумножителями на базе операционных усилителей были разработаны типовые вычислительные узлы операционно-блочной модели, реализующей аналоговое математическое моделирование по методу непрямой аналогии. В такой модели каждой операции и функции решаемой задачи из реальной жизни соответствует подобный ей операционный блок, созданный в большинстве случаев на базе операционного усилителя. К таким операционным блокам относятся сумматоры, интеграторы, умножители, делители, функциональные преобразователи. При наличии достаточно большого набора таких блоков, а также источников питания для них появляется возможность решения широкого класса задач — основа универсальных аналоговых вычислителей.
Программирование таких вычислительных машин осуществляется путём составления аналоговой модели, эквивалентной решаемой задаче. Модель эта представляет собой схему соединения друг с другом типовых операционных блоков и методику расчёта их параметров. Последнее действие называется масштабированием модели.
Для создания конкретной схемы решения задачи в аналоговых компьютерах использовалась коммутационная панель — поле с выходами и входами всех операционных блоков. Для масштабирования модели имелась панель подстроечных элементов, управляющих характеристиками каждого отдельного блока.
Аналоговый компьютер Hitachi-200х. Хорошо видны коммутационная панель и подстроечные регуляторы для масштабирования моделиВ советском компьютере МН-7 присутствуют все базовые компоненты типового аналогового вычислителяВычисления в таких компьютерах начинаются подачей на вход схемы питающего напряжения и заканчиваются по завершению переходных процессов в операционных блоках схемы. Поскольку все элементы схемы в момент подачи напряжения функционируют параллельно, говорить о пошаговом выполнении задачи нельзя. Вся схема целиком одномоментно имитирует решение эквивалентной ей задачи. Вывод таким аналоговым компьютером результатов решения «запрограммированной» в его схеме задачи осуществлялся чаще всего на осциллограф в виде графиков развития во времени моделируемого процесса.
Благодаря своей универсальности аналоговые компьютеры подобной конструкции нашли широкое применения практически во всех областях человеческой деятельности, где требовались расчёты сложных нелинейных динамических систем. Особое значение аналоговые вычислители приобрели в ходе освоения космического пространства. Расчёт орбит движения космических аппаратов, а также решение задач их баллистического спуска требовали вычислений в реальном масштабе времени и с учётом многочисленных корректировок.
К примеру, вот так будет выглядеть аналоговая схема решения задачи расчёта распространения вирусной инфекции.
А вот расчёт сейсмоустойчивости зданий.
Цифровые ЭВМ в то время не могли обеспечить достаточной скорости расчётов. А вот предварительно запрограммированные аналоговые машины прекрасно справлялись с поставленными задачами. Впрочем, аналоговым ЭВМ всё же пришлось уживаться с их цифровыми собратьями.
Гибриды цифро-аналогового мираДаже несмотря на весьма небольшие погрешности отдельных операционных блоков, общая погрешность аналоговых компьютеров оставалось значительной. В сложных схемах решения ряда задач из-за накопления относительных погрешностей в их элементах суммарная погрешность схемы достигала пяти процентов.
Решить эту проблему помогло распределение вычислительной задачи между аналоговым и цифровым компьютером. Машинные комплексы, представляющие собой связанные с помощью АЦП-ЦАП преобразователей аналоговые и цифровые вычислители, назывались гибридными вычислительными системами.
Наибольшую известность в шестидесятые годы прошлого столетия приобрели гибридные ЭВМ производства компании Packard-Bell. Их компьютерная система HYCOMP, состоящая из аналогового компьютера MARK III и цифровой ЭВМ PB-440, использовалась для решения расчётных задач всех миссий лунной программы «Аполлон». В СССР подобные гибридные вычислительные комплексы «Сатурн» разрабатывались Пензенским заводом САМ на базе электроинтеграторов на резистивной сетке и цифровых ЭВМ семейства «Урал».
Обобщённая схема гибридной вычислительной системы, включающей две аналоговые ЭВМ общего назначения, специализированный электроинтегратор (сеточная модель) и цифровую ЭВМГибридная вычислительная система HYCOMP производства компании Packard-Bell использовалась для расчётов в ходе лунной программы «Аполлон»В дальнейшем успехи в области разработки интегральных цифровых схем позволили реализовать принципиально новый вид гибридности. В так называемых гибридных ЭВМ операционные блоки создавались на базе аналоговых схем лишь частично. Часть из них была реализована на цифровых схемах.
Такое схемотехническое решение позволило наряду с аналоговыми вычислениями реализовать: аналого-цифровое моделирование, конечно-разностное цифровое моделирование и цифровой вычислительный процесс на основе неалгоритмического потокового программирования, в ходе которого решение задачи организуется путём структурной перестройки процессора специального типа, именуемого FPAA (Field-programmable Analog Array). В FPAA в корпусе обычной интегральной микросхемы реализованы микроминиатюрные операционные блоки на основе традиционных для аналогового компьютера операционных усилителей.
Схема программируемой аналоговой матрицы FPAA
Микрофотография чипа FPAAЯвляясь особым видом ПЛИС, интегральные схемы FPAA легко перепрограммируются под решение конкретных вычислительных задач, обеспечивая при этом минимально возможные для аналоговых операционных элементов погрешности вычислений. В отличие от своих цифровых собратьев FPGA, содержащих значительное количество логических элементов и соединительных связей, интегральные схемы FPAA состоят из относительно небольшого числа CAB-модулей, каждый из которых содержит либо схемы на основе операционных усилителей, либо массивы ёмкостей и резисторов. Фактически микросхемы FPAA реализуют конструкцию обычного аналогового компьютера с кросс-панелью в миниатюре. А это означает, что их можно применять для задач, в которых аналоговые компьютеры традиционно сильны. Так, современные FPAA в специальном исполнении, защищающем их от космической радиации, работают в качестве вычислителей орбит и траекторий полёта современных спутников и пилотируемых космических аппаратов.
А это означает, что у удивительных компьютеров без алгоритмов, зародившихся задолго до своих цифровых коллег и основанных на принципах подобия процессов в модельной и решаемой задаче, есть своё аналоговое, а если точнее — аналогово-цифровое будущее.
К оглавлению
