Почему аналоговые компьютеры были вытеснены цифровыми

Учёные представили аналоговый компьютер с ёмкостью для воды вместо процессора

Австралийские учёные Иван Максимов и Андрей Потоцкий показали прототип «резервуарного» компьютера. Он проводит вычисления в ёмкости с водой.

Это аналоговый компьютер, который способен выполнять ряд задач быстрее и точнее любой цифровой платформы, отмечают создатели. По их словам, поведение волн на воде подчиняется физическим законам и ведёт к прогнозируемому результату.

Работа прототипа поддерживается математической моделью, в основу которой включили элементы работы нейронных сетей.

Внешне прототип «резервуарного» компьютера представляет собой длинную ёмкость с проточной водой. Роль входного контура играет помпа, которая создаёт волны на поверхности текущей воды. Учёные используют именно структурно устойчивую уединённую волну, которая существует в нелинейной среде, — так называемый солитон.

С помощью прототипа исследователи продемонстрировали, что аналоговая волновая платформа способна запоминать как упорядоченные, так и случайные входные данные. Также они показали обработку входных данных в соответствии с поставленной задачей. В ряде случаев результат по точности превосходил аналогичные вычисления, проведённые на классических цифровых компьютерах.

Чтобы повысить точность считывания амплитуды и рисунка волн, учёные добавили в воду флуоресцентный состав.

В перспективе они намерены разработать «водяной» микропроцессор, который мог бы работать на принципе сталкивания волн в резервуаре, но на микроуровне и в защищённом виде подобно классическому микрочипу.

Учёные ожидают, что «резервуарные» компьютеры ускорят расчёты в климатологии, социологии, в биржевом секторе и там, где прогнозирование зависит от множества входящих факторов и носит вероятностный характер.

Компьютерное железо
Научно-популярное
Физика

Лирические размышления о 19-ом энергетическом и 20-м информационном веках

Этот текст родился однажды поздним вечером на даче, после того как я откопал в груде старых книг одну монографию по математике. Её основная тема была связана с математическим моделированием, и никакого отношения к данному опусу не имеет. А вот в предисловии автор довольно долго рассуждал о характере научно-технической революции в двадцатом веке. Если вкратце, то утверждалось, что в девятнадцатом веке человечество в основном было занято овладением способами преобразования энергии, а в двадцатом — способами преобразования информации. Это обобщающее наблюдение подвигло меня на всякие дальнейшие размышления, а также поиск и чтение исторических сведений в книжках и в интернете, ну, кое-что я вероятно просто вспомнил из изученного прежде. В следующем ниже тексте дан краткий обзор моих размышлений, так что это своего рода реферат, или даже эссе. Сразу честно предупреждаю: для чего либо практически полезного этот текст вряд ли пригоден, а прочитать, возможно, будет кому-то интересно. В общем, отдаю на суд читателей.

Девятнадцатый век стал веком, в течение которого человечество овладело новыми видами энергии, в дополнение к механической. До семнадцатого века практическое использование находили только механические двигатели, основанные на водяных колесах. В двигателях этого типа, даже самых совершенных, не происходит преобразования вида энергии: механическая энергия просто передается от источника, падающей или текущей вниз воды, к потребителю.

В 1698 году были изобретены первые модели паровых машин, однако распространённое практическое применение они нашли только в конце 18-го века. Практически до конца 18-го века не было известно машин непрерывного действия. Одну из первых построил русский изобретатель И.И.Ползунов на горнорудных заводах Алтая в 1763-1766 годы, но судьба её была не очень весёлой: сам изобретатель умер незадолго до сдаточных испытаний от чахотки, а машина, приводившая в движение мощную воздуходувку для печей, проработала три месяца с небольшим, причем к изумлению заводского начальства троекратно окупила деньги, затраченные на ее постройку. Потом у нее потёк котел, машину остановили, и больше никогда не эксплуатировали. Лет через десять она была демонтирована. Ну, всё как всегда у нас, в России…

Параллельно примерно в это же время в Англии строил свою машину Джемс Уатт, усовершенствуя пароводяную машину Ньюкомена. Он отделил фазу конденсации пара и вынес её в отдельное устройство. Дальнейшее улучшение паровых машин различными изобретателями шло по линии конструктивного совершенствования отдельных узлов и повышения давления пара в машинах, и привело к их коммерческой эфективности и возможности промышленного использования. Прогресс в этой области был не менее стремительным, чем мы сейчас наблюдаем в компьютерной области: в 1769 году во Франции была построена первая паровая телега, в 1804 году – уже первый паровоз Ричарда Тревитика, в 1807 – пароход Роберта Фултона. К концу девятнадцатого века паровозы и пароходы бегали и плавали по всему земному шару.

Кстати, что любопытно, мы до сих пор используем энергию пара, и девять десятых всего электричества, например, вырабатывается генераторами, вращаемыми паровыми машинами, правда, не поршневого, а турбинного типа. Любым топливом от дров до ядерного вода легко превращается в пар.

Но я сейчас не об этом, что-то я увлекся паровыми штуками. Паровая машина сама по себе является хорошим примером того, как тепловая энергия нагретого пара превращается в механическую. Для того, чтобы получить пар, надо нагреть воду, для чего вначале использовались дрова, позже – уголь. Таким образом, химическая энергия горения топлива, вначале превращалась в котле в тепловую энергию нагретого пара, а потом, в паровой машине, в механическую энергию.

Позже, к концу 19-го века был изобретён электродвигатель и генератор, лампы накаливания, нагревательные приборы, электричество получило разнообразные практические применения, а человечество научилось довольно непринужденно превращать энергию из одного вида в другой: механическая, тепловая, химическая, электрическая энергия широко использовалась к началу 20-го века в промышленности и даже уже в быту. В начале второй половины 20-го века люди освоили и ядерную энергию, и смогли ее преобразовывать в тепловую, механическую, и электрическую.

По контрасту с 19-ым веком, 20-ый век стал веком информационным. Человечество освоилось с видами энергии, и занялось техническими методами накопления, хранения, передачи, кодирования и обработки информации.

Исторически, первыми развивались аналоговые средства связи. В 1835 году Сэмюэл Морзе изобретает свой проводной телеграфный аппарат, а также способ кодирования букв, цифр и знаков препинания последовательностями точка-тире, называемый сейчас азбукой Морзе. В 1876 году Александр Белл патентует аналоговый телефонный аппарат. Чуть позже, в 1878 году, Дэвид Хьюз изобретает чувствительный угольный микрофон. В 1895 году А.С.Попов демонстрирует первую практическую радиопередачу на расстояние около 50 километров. В 1907 году Борис Розинг патентует способ и аппаратуру электрической передачи изображений на расстояние с помощью электронно-лучевой трубки. В 1928 году Владимир Зворыкин патентует первый телевизор. Вообще, начиная с первых десятилетий 20-го века развитие средств связи идет семимильными шагами, и телеграф, телефон, радио, а затем и телевизоры, становятся привычными предметами быта.

Первым аналоговым вычислительным устройством была логарифмическая линейка, изобретенная еще в 16 веке. Устройства обработки информации прошли в своем развитии целый «аналоговый» этап, но сейчас они почти повсеместно уступили место цифровым. Тем не менее, очень много подобных устройств использовалось в военной технике – например, счётно-решающие приборы в артиллерийских комплексах, в головках самонаведения ракет, да и в гражданской – современная автоматическая трансмиссия в автомобиле является примером аналогового гидромеханического вычислителя. В СССР отрасль аналоговых вычислительных машин развивалась до 70-х годов 20 века, потом эти устройства в большинстве устарели и были вытеснены цифровыми. Хотя в 1983 году я ещё делал лабораторные работы на аналоговых вычислительных машинах (учась в университете).

Автоматические цифровые вычислительные устройства в своем развитии прошли четыре поколения, которые принято различать в основном по элементной базе: ламповые (1946-1958), транзисторные (1959-1967), на интегральных схемах (1968-1974), микропроцессорные (с 1974 года). Однако еще до этого предпринимались попытки построить цифровую вычислительную машину.

В период с 1937 по 1944 год в США была построена первая цифровая вычислительная машина МАРК-1. Машина эта могла оперировать с 24-разрядными десятичными числами, но по сути, пока являлась просто большим автоматизированным арифмометром. Она была огромного размера, и содержала более 3 тысяч реле, около 800 тысяч других деталей, и более 800 км проводов (изготавливалась эта штука Нью-Йоркским подразделением IBM). Она использовалась при расчетах таблиц артиллерийской стрельбы и при дешифровке закодированных сообщений немецких армий в конце второй мировой войны.

Однако первой автоматической ЦВМ стал ENIAC — Electronic Numerical Integrator And Computer (ссылка: ENIAC). Присутствие слова «интегратор» в названии объясняется просто: машина была предназначена в основном для военных целей – решение задач артиллерийской стрельбы, которые сводятся в большинстве к интегрированию дифференциальных уравнений.

Вычислитель ENIAC начали проектировать в 1943 году в Электротехнической школе Мура Пенсильванского университета. Руководили проектом Джон Вильям Моучли и Джон Преспер Эккерт. Построили его в 1946 году, и ввели в строй на военном артиллерийском полигоне в Абердине (Мэрилэнд) в 1947 году. Эта машина получила в американской прессе прозвище «Мозг Гиганта». Она весила 30 тонн, в ней было 18 тысяч ламп, 1500 реле, 70 тысяч резисторов, 10 тысяч конденсаторов, 5 миллионов паянных контактов. Она занимала зал площадью 200 квадратных метров и потребляла 150 КВт мощности. За 1 секунду она производила аж 357 операций умножения или целых 5000 сложений; её тактовая частота была около 100 кГц. Из более сложных операций — примерно 35 делений или извлечений квадратного корня в секунду. Основным типом/размером операнда были десятизначные десятичные числа. Интересным было АЛУ: упоминающиеся во многих описаниях «ring counters», видимо, представляли собой аналоги колёс-счётчиков механических счётных устройств.

Особенностью ENIAC, как всех компьютеров первого поколения, было отсутствие любых устройств ввода. То есть, программы вводились с коммутационного поля машины, непосредственно переключением штеккеров на каждый бит, и записывались в память. Память, впрочем, по нынешним меркам была небольшой, что-то около 2КБ.

Эксплуатировался ENIAC до 1955 года, а затем был передан в музей. В то время проектирование и эксперименты с цифровыми машинами было крайне актуальной темой, так что проектов на самом деле было множество. ENIAC исторически считается первым (в русской, сильно укороченной, версии статьи про ЭНИАК есть перечень других «пионерских» ЦВМ). Но вернёмся к более общим материям.

К работе над проектом ENIAC (и к другим также) в качестве эксперта привлекался известный американский математик Джон фон Нейман. Ему принадлежит формулировка двух принципов, которые теперь считаются основным принципиальным отличием компьютеров с архитектурой фон Неймана (к которым полностью принадлежат первые два поколения ЦВМ):
— двоичное представление данных и команд;
— концепция «хранимых инструкций».

С первым, в общем, все понятно – использование двоичной арифметики резко упрощает проектирование и изготовление машины, поскольку элементы с двумя состояниями гораздо проще, чем с десятью, к тому же таблицы двоичного умножения и сложения также предельно просты, что упрощает электронные цепи для логических и арифметических операций.

А вот второй принцип, это – то, что принципиально отличает компьютер от калькулятора. Идея фон Неймана гениально проста: команду не надо вводить с пульта каждый раз, когда ее надо выполнить. Вместо этого, последовательность инструкций кодируется двоичными словами и заносится в память заранее, а машина умеет сама последовательно считывать из памяти слова инструкций, исполнять их, и повторяет этот цикл исполнения инструкций в автоматическом режиме. Выражаясь современным языком, фон Нейман изобрел то, что в современных процессорах делает «программный счетчик».

история
информатика
вычислительная техника
Фон Нейман

почему аналоговые компьютеры были вытеснены цифровыми

Аналоговых никогда не было. Все устройства эти цифровые. даже механический арифмометр по своей сути — цифровое устройство.

«Аналоговый компьютер» — это логарифмическая линейка.

Ты хочешь узнать, почему ЭВМ вытеснили логарифмические линейки? У ЭВМ больше возможностей. гооораздо больше.

АВМ- аналоговые вычислительные машины.
Аналоговые компы — узкоспециализированные. Цифровые — универсальные. Как-то так.
Они программируются паяльником.
Потому что аналоговые компьютеры считают черте как, и изменить алгоритмы работы довольно трудно.
Кодировать проще: 1 и 0 — есть сигнал/нет сигнала.

Одним из факторов является то, что компьютеры программируются и даже при возможно равной производительности на этапе появления цифровые компьютеры выигрывают в простоте и гибкости программирования.

Цифровые и аналоговые компьютеры

Разница между цифровым и аналоговом компьютере в самом способе представления информации.

Аналоговый компьютер

Оперирует непрерывными величинами, величинами, способными принимать любые значения и изменяться непрерывно. Они способны довольно успешно моделировать разнообразные физические процессы, на которые цифровому бы потребовалось огромное количество операций, однако их недостатки не позволили получить им широкое распространение. Одним из известных аналоговых компьютеров является электролитическая ванна.

Цифровой компьютер

Оперирует дискретными величинами и символами. Простота, надёжность, устойчивость к помехам, точность вычислений дали возможность их применять в самом широком спектре задач. Таким образом подавляющее большинство компьютеров — цифровые. Обычно компьютеры используют для внутренних нужд двоичную систему счисления.

В настоящее время цифровые компьютеры представлены электронными вычислительными машинами, основанными на заряде электрона, однако уже разрабатываются машины, основанные на других физических принципах — оптические, квантовые и другие (биологические, электронные на базе собственного магнитного момента (спина) электрона).

В зависимости от вида перерабатываемой информации вычислительные машины подразделяют на два основных класса: аналоговые и цифровые.

Аналоговый компьютер – это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в виде непрерывных изменений некоторых физических величин. При этом в качестве физических переменных выступают сила тока электрической цепи, угол поворота вала, скорость и ускорение движения тела и т.п. Используя тот факт, что многие явления в природе математически описываются одними и теми же уравнениями, аналоговые вычислительные машины позволяют с помощью одного физического процесса моделировать различные другие процессы.

Цифровой компьютер – это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном виде. В настоящее время разработаны методы численного решения многих видов уравнений, что дало возможность решать на цифровых вычислительных машинах различные уравнения и задачи с помощью набора простых арифметических и логических операций. Поэтому если аналоговые вычислительные машины обычно предназначены для решения определенного класса задач, т.е. являются специализированными, то цифровой компьютер, как правило, универсальное вычислительное средство. Наибольшее распространение получили электронные вычислительные машины, выполненные с использованием новейших достижений электроники.

Цифровой или аналоговый

Фундаментальным решением при проектировании компьютера является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все ещё используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.

Примерами аналоговых вычислителей, от простого к сложному, являются: логарифмическая линейка, астролябия, осциллограф, телевизор, аналоговый звуковой процессор, автопилот, мозг.

Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенные счёты; наиболее сложной из такого рода систем является суперкомпьютер.