Ilmuwan dan insinyur dapat memanfaatkan pendekatan komputasi yang telah lama ditinggalkan
Komputer mekanik analog ini digunakan untuk memprediksi pasang surut. Itu dikenal sebagai "otak kuningan tua," atau, lebih formal, "Mesin Prediksi Pasang Surut No. 2." Dia melayani Survei Pesisir dan Geologi A.S. untuk menghitung tabel pasang surut dari tahun 1912, dan tidak pensiun sampai tahun 1965 ketika dia diganti dengan komputer elektronik.Ketika Neil Armstrong dan Buzz Aldrin turun ke Bulan pada tahun 1969 sebagai bagian dari misi Apollo 11, ini mungkin merupakan pencapaian terbesar dalam sejarah rekayasa manusia [selain dari, tentu saja, peluncuran satelit pertama dan manusia pertama ke luar angkasa, orang pertama terbuka ruang, serta penciptaan antar-jemput / kira-kira ruang otomatis. diterjemahkan.]. Banyak orang tidak menyadari bahwa unsur penting dalam keberhasilan misi Apollo dan para pendahulunya adalah komputer analog dan hybrid (analog-digital) yang digunakan NASA untuk disimulasikan, dan dalam beberapa kasus, bahkan untuk mengendalikan penerbangan. Banyak orang yang hidup saat ini bahkan belum pernah mendengar tentang komputer analog, percaya bahwa komputer, menurut definisi, adalah perangkat digital.
Jika komputer analog dan hybrid sangat berharga setengah abad yang lalu, mengapa mereka menghilang hampir tanpa jejak? Ini karena keterbatasan teknologi tahun 1970-an: pada kenyataannya, terlalu sulit untuk mengembangkan, membangun, mengelola, dan memelihara. Tetapi komputer analog dan hibrida analog-ke-digital yang dibangun dengan bantuan teknologi modern tidak akan memiliki kelemahan seperti itu, jadi sekarang ada banyak penelitian tentang perhitungan analog di bidang pembelajaran mesin, kecerdasan mesin, dan sirkuit
biomimetik .
Pada artikel ini, saya akan berkonsentrasi pada aplikasi lain dari komputer analog dan hybrid: komputasi ilmiah yang efisien. Saya percaya bahwa komputer analog modern dapat melengkapi rekan digital mereka dalam menyelesaikan persamaan yang berkaitan dengan biologi, dinamika fluida, prediksi cuaca, kimia kuantum, fisika plasma, dan banyak bidang ilmu pengetahuan lainnya. Dan inilah cara komputer yang tidak biasa ini bisa melakukannya.
Komputer analog adalah sistem fisik yang dikonfigurasi untuk berfungsi sesuai dengan persamaan yang identik dengan apa yang ingin Anda pecahkan. Anda menetapkan kondisi awal yang sesuai dengan sistem yang ingin Anda selidiki, dan kemudian memungkinkan variabel di komputer analog untuk berkembang dari waktu ke waktu. Akibatnya, Anda mendapatkan solusi untuk persamaan yang sesuai.
Mari kita ambil contoh sederhana untuk absurditas: selang dengan air dan ember dapat dianggap sebagai komputer analog yang melakukan perhitungan integral. Sesuaikan volume air yang mengalir di selang agar sesuai dengan fungsi yang Anda integrasikan. Arahkan aliran ke dalam ember. Solusinya adalah jumlah air dalam ember.
Meskipun beberapa komputer analog benar-benar menggunakan cairan yang mengalir, yang paling awal adalah perangkat mekanis yang mengandung roda dan roda pemutar. Ini termasuk penganalisis diferensial Vannevar Bush 1931, dibuat berdasarkan prinsip-prinsip yang lahir pada abad ke-19, terutama berdasarkan karya William Thomson (yang kemudian menjadi Lord Kelvin) dan saudaranya James, yang mengembangkan komputer analog mekanis untuk menghitung pasang surut. Komputer analog jenis ini telah lama digunakan untuk tugas-tugas seperti mengendalikan meriam di kapal perang. Pada tahun 1940, komputer analog elektronik mulai digunakan untuk ini, meskipun secara paralel, komputer mekanik terus tetap beroperasi. Dan tidak lain adalah Claude Shannon, bapak teori informasi formal, yang diterbitkan pada tahun 1941 sebuah studi teoritis yang bermanfaat tentang komputasi analog.
Sekitar waktu, pengembangan luas komputer analog dimulai di AS, Uni Soviet, Jerman, Inggris, Jepang, dll. Mereka diproduksi oleh banyak produsen, misalnya, Electronic Associates Inc., Applied Dynamics, RCA, Solartron, Telefunken dan Boeing. Awalnya, mereka digunakan dalam pengembangan kerang dan pesawat terbang, serta dalam simulator penerbangan. Tentu saja, NASA adalah pelanggan utama. Tetapi aplikasi mereka segera menyebar ke daerah lain, termasuk kontrol reaktor nuklir.
Komputer analog elektronik PACE 16-31R ini diproduksi oleh Electronic Associates Inc. dipasang di Lewis Jet Flight Laboratory di NASA (sekarang Glenn Research Center) di Cleveland pada pertengahan 1950-an. Komputer analog semacam itu digunakan, antara lain, untuk program komik NASA seperti Mercury, Gemini, Apollo.Awalnya, komputer analog elektronik memiliki ratusan atau ribuan tabung elektronik, yang kemudian digantikan oleh transistor. Pertama, mereka diprogram dengan mengatur kontak secara manual antara berbagai komponen pada panel khusus. Itu adalah mesin yang rumit dan aneh, mereka membutuhkan tenaga terlatih untuk memulai - semua ini berperan dalam kematian mereka.
Faktor lain adalah fakta bahwa pada tahun 1960-an komputer digital dikembangkan dengan pesat karena banyak kelebihan mereka: pemrograman sederhana, kerja algoritmik, kemudahan penyimpanan, akurasi tinggi, kemampuan untuk memproses tugas dari berbagai ukuran dengan adanya waktu. Kecepatan komputer digital meningkat pesat selama dekade ini, dan juga pada saat berikutnya ketika teknologi MOS (logam-oksida-semikonduktor) untuk sirkuit terintegrasi dikembangkan, yang memungkinkan untuk menempatkan sejumlah besar transistor yang beroperasi dengan sakelar digital pada satu chip.
Produsen komputer analog segera memasukkan sirkuit digital ke dalam sistem mereka, yang melahirkan komputer hybrid. Tapi sudah terlambat: bagian analog dari mesin ini tidak dapat diintegrasikan dalam skala besar, menggunakan teknologi pengembangan dan produksi pada waktu itu. Komputer hybrid besar terakhir dibuat pada 1970-an. Dunia beralih ke komputer digital dan tidak lagi melihat sekeliling.
Saat ini, teknologi MOS analog telah membuat kemajuan luar biasa: dapat ditemukan di sirkuit penerima dan pemancar smartphone, di perangkat biomedis yang kompleks, di semua jenis elektronik konsumen, dan di banyak perangkat pintar yang membentuk Internet. Komputer analog dan hibrida yang dibangun menggunakan teknologi modern canggih seperti itu bisa sangat berbeda dari setengah abad yang lalu.
Tetapi mengapa bahkan mempertimbangkan elektronik analog sebagai diterapkan pada komputasi? Faktanya adalah bahwa komputer digital biasa, meskipun kuat, sudah dapat dicocokkan dengan batas mereka. Setiap peralihan sirkuit digital mengkonsumsi energi. Miliaran transistor pada pergantian chip pada kecepatan gigahertz menghasilkan sejumlah besar panas yang perlu dilepas entah bagaimana sebelum mencapai suhu kritis. Anda dapat dengan mudah menemukan video di YouTube yang menunjukkan cara menggoreng telur pada beberapa chip komputer digital modern.
Efisiensi energi sangat penting untuk komputasi ilmiah. Dalam komputer digital, aliran waktu harus diperkirakan menggunakan urutan langkah-langkah diskrit. Ketika memecahkan persamaan diferensial kompleks tertentu, diperlukan untuk menggunakan langkah-langkah kecil terutama untuk menjamin solusi sebagai hasil dari algoritma. Ini berarti bahwa ini memerlukan sejumlah besar perhitungan, yang menghabiskan banyak waktu dan banyak energi.
Sekitar 15 tahun yang lalu, saya berpikir: dapatkah komputer analog yang dirancang dengan bantuan teknologi modern menawarkan sesuatu yang berharga? Untuk menjawab pertanyaan ini, Glenn Cowan, yang waktu itu adalah seorang mahasiswa pascasarjana yang saya pimpin di British Columbia, dan sekarang menjadi profesor di Concordia University di Montreal, merancang dan membuat komputer analog satu-chip. Ini berisi integrator analog, pengganda, generator fungsi, dan unit lain yang diatur dalam gaya
array gerbang yang dapat diprogram pengguna . Berbagai blok dihubungkan oleh lautan kabel yang dapat disetel sehingga mereka menciptakan kontak setelah pembuatan chip.
Banyak masalah ilmiah membutuhkan sistem penyelesaian persamaan diferensial berpasangan. Untuk kesederhanaan, kami mempertimbangkan dua persamaan dengan dua variabel x 1 dan x 2 . Komputer analog menemukan x 1 dan x 2 menggunakan sirkuit di mana arus yang mengalir melalui dua kabel mematuhi persamaan yang sama. Saat menggunakan rangkaian yang sesuai, arus pada dua kabel akan mewakili solusi dari persamaan awal.
Untuk ini kita perlu integrator analog, unit percabangan, sumber arus searah (arus penjumlahan membutuhkan kombinasi kabel yang sederhana). Untuk menyelesaikan persamaan diferensial nonlinier, komputer analog pada chip menggunakan sirkuit waktu kontinu untuk membentuk blok yang dapat membuat fungsi sewenang-wenang (merah muda)
Ternyata komputer analog untuk keperluan umum dapat dibuat berdasarkan array gerbang yang dapat diprogram pengguna yang mengandung banyak elemen analog yang dikontrol secara digital. Setiap strip abu-abu horizontal dan vertikal menunjukkan beberapa kabel. Ketika akurasi yang lebih tinggi diperlukan, hasil komputer analog dapat dimasukkan digital untuk disempurnakan.Pemrograman digital memungkinkan untuk menggabungkan input dari blok analog yang diberikan dengan output yang lain, dan membuat sistem yang dikendalikan oleh persamaan yang perlu dipecahkan. Timer tidak digunakan: tegangan dan arus terus berkembang, dan tidak dalam langkah-langkah terpisah. Komputer seperti itu dapat menyelesaikan persamaan diferensial yang kompleks dengan satu variabel independen dengan akurasi urutan beberapa persen.
Untuk beberapa aplikasi, akurasi terbatas seperti itu sudah cukup. Dalam kasus di mana hasil seperti itu terlalu kasar, itu dapat dimasukkan ke komputer digital untuk klarifikasi. Karena komputer digital dimulai dengan tebakan yang sangat baik, hasil akhirnya dapat dicapai dalam waktu 10 kali lebih sedikit, yang mengurangi konsumsi energi dengan jumlah yang sama.
Baru-baru ini, dua siswa di British Columbia, Ning Guo dan Yipeng Huang, Mingoo Seok, Simha Sethumadhavan dan saya menciptakan komputer analog pada chip generasi kedua. Seperti halnya komputer analog awal, semua blok perangkat kami bekerja secara simultan dan memproses sinyal dengan cara yang membutuhkan arsitektur paralel dari komputer digital. Sekarang kami memiliki chip yang lebih besar, yang terdiri dari beberapa salinan desain generasi kedua kami, yang mampu menyelesaikan tugas yang lebih besar.
Rangkaian baru komputer analog kami lebih efisien dalam konsumsi energi dan lebih mudah dipasangkan dengan komputer digital. Keuntungan dari kedua dunia tersedia untuk hibrida seperti itu: analog untuk komputasi kecepatan tinggi dan daya rendah, dan digital untuk pemrograman, penyimpanan, dan komputasi presisi tinggi.
Chip terakhir kami berisi banyak sirkuit yang digunakan di masa lalu untuk komputasi analog: misalnya integrator dan pengganda. Komponen utama dari sirkuit baru kami adalah sirkuit baru yang mampu secara kontinyu menghitung fungsi matematika yang arbitrer. Dan inilah mengapa ini penting.
Komputer digital bekerja dengan sinyal yang hanya menggunakan dua jenis level tegangan, yang mewakili nilai 0 atau 1. Tentu saja, ketika melewati antara kedua kondisi ini, sinyal juga harus mengambil nilai antara. Sirkuit digital tipikal memproses sinyal secara berkala setelah tegangan stabil pada level yang secara jelas mewakili 0 atau 1. Sirkuit ini beroperasi dengan pengatur waktu sistem dengan periode yang cukup untuk voltase untuk beralih dari satu kondisi stabil ke yang lain sebelum mulai putaran pemrosesan selanjutnya. Akibatnya, sirkuit seperti itu menghasilkan urutan nilai-nilai biner, satu untuk setiap momen dalam waktu.
Fungsi generator kami malah bekerja dengan pendekatan kami, yang kami sebut proses waktu terus menerus digital. Ini berisi sinyal biner abadi yang dapat mengubah nilai kapan saja, dan tidak sesuai dengan jam yang ditentukan dengan jelas. Kami membangun konverter dari analog ke digital dan dari digital ke analog, serta memori digital yang mampu memproses sinyal digital seperti waktu terus menerus.
Kami dapat memberi makan sinyal analog ke konverter semacam itu dari analog ke digital, dan itu akan menerjemahkannya ke dalam angka biner. Nomor ini dapat digunakan untuk menemukan nilai yang disimpan dalam memori. Nilai output kemudian diumpankan ke konverter dari satu digit ke analog. Kombinasi dari sirkuit waktu kontinu menyediakan generator fungsi dengan input dan output analog.
Penulis dan rekan menggunakan teknologi produksi modern untuk mengemas komputer analog yang kuat dalam kasus kecilKami menggunakan komputer kami untuk menyelesaikan berbagai persamaan diferensial yang kompleks dengan akurasi beberapa persen. Itu tidak bisa dibandingkan dengan komputer digital konvensional. Tetapi akurasi bukanlah segalanya. Dalam banyak kasus, nilai perkiraan cukup untuk bekerja. Komputasi teladan - batasan yang disengaja dari akurasi komputasi - kadang-kadang digunakan dalam komputer digital, misalnya, di bidang-bidang seperti pembelajaran mesin, visi komputer, bioinformatika, dan pemrosesan data besar. Ini masuk akal ketika, seperti yang sering terjadi, data input itu sendiri memiliki kesalahan.
Karena inti dari komputer kita adalah analog, jika perlu, dapat dihubungkan langsung ke sensor dan drive daya. Kecepatan tinggi memungkinkan dia untuk berinteraksi dengan pengguna secara real time dalam tugas komputasi yang akan sangat lambat dalam mode normal.
Tentu saja, pendekatan kami terhadap komputasi memiliki kekurangan. Salah satu masalah adalah bahwa tugas-tugas rumit terutama membutuhkan banyak unit komputasi analog, yang membuat chip besar dan mahal.
Salah satu cara untuk memecahkan masalah seperti itu adalah dengan membagi tugas komputasi menjadi subtugas kecil, yang masing-masing akan diselesaikan oleh komputer analog yang menjalankan tugas digital. Perhitungan semacam itu tidak lagi sepenuhnya paralel, tetapi setidaknya itu akan mungkin. Para peneliti mempelajari pendekatan ini beberapa dekade yang lalu ketika komputer hybrid masih dalam mode. Mereka tidak melangkah jauh, karena jenis komputer ini ditinggalkan. Jadi teknologi ini membutuhkan pengembangan lebih lanjut.
Masalah lain adalah sulitnya mengkonfigurasi koneksi acak antara blok rangkaian jarak jauh pada chip analog besar. Jaringan kontak dapat menjadi penghalang dalam hal ukuran dan kompleksitas. Namun, beberapa masalah ilmiah akan membutuhkan koneksi tersebut sehingga dapat diselesaikan pada komputer analog.
Keterbatasan ini dapat membantu menghindari teknik pembuatan 3D. Tetapi untuk saat ini, inti analog dari desain hybrid kami paling cocok untuk kasus-kasus di mana konektivitas lokal diperlukan - misalnya, untuk mensimulasikan serangkaian molekul yang berinteraksi hanya dengan molekul yang berada di dekat mereka.
Masalah lain adalah kesulitan dalam menerapkan fungsi banyak parameter dan masalah terkait efisiensi rendah dari persamaan diferensial pemrosesan dalam turunan parsial. Pada tahun 1970-an, beberapa teknologi dikembangkan untuk menyelesaikan persamaan tersebut pada komputer hybrid, dan kami berencana untuk memulai dari tempat di mana perkembangan sebelumnya berakhir.
Juga, analog memiliki kelemahan dengan akurasi yang meningkat. Keakuratan sirkuit digital dapat ditingkatkan hanya dengan menambahkan bit. Meningkatkan akurasi komputer analog membutuhkan penggunaan area chip yang jauh lebih besar. Itu sebabnya kami fokus pada aplikasi dengan akurasi rendah.
Saya menyebutkan bahwa komputasi analog dapat mempercepat perhitungan dan menghemat energi, dan saya ingin menambahkan lebih banyak detail. Pemrosesan analog pada komputer jenis yang saya dan kolega saya biasanya memakan waktu satu milidetik. Memecahkan persamaan diferensial dengan satu turunan membutuhkan energi kurang dari 0,1 μJ. Chip seperti itu dengan teknologi manufaktur konvensional (CMOS 65 nm) akan menempati area seluas milimeter persegi. Persamaan dengan dua turunan mengambil dua kali lebih banyak energi dan area chip, dan sebagainya; waktu untuk menyelesaikannya tetap tidak berubah.
Untuk beberapa aplikasi penting dengan anggaran tidak terbatas, Anda bahkan dapat mempertimbangkan untuk mengintegrasikan skala media - seluruh substrat silikon dapat digunakan sebagai satu chip raksasa. Substrat 300 mm akan memungkinkan penempatan lebih dari 100.000 integrator pada chip, yang akan memungkinkan simulasi sistem 100.000 persamaan dinamis nonlinear berpasangan dari orde pertama, atau 50.000 orde kedua, dan seterusnya. Ini mungkin berguna untuk mensimulasikan dinamika sejumlah besar molekul. Waktu solusi masih akan dihitung dalam milidetik, dan disipasi energi - dalam puluhan watt.
, , . , , . , .
, , , : , , .
, , , , . . , . , , , .
—