Komputer hybrydowy

Polski komputer hybrydowy WAT 1001

Komputery hybrydowe to komputery, które wykazują cechy komputerów analogowych i komputerów cyfrowych . Komponent cyfrowy zwykle służy jako kontroler i zapewnia logiczne i numeryczne , podczas gdy komponent analogowy często służy do rozwiązywania równań różniczkowych i innych matematycznie złożonych problemów. Pierwszym hybrydowym systemem komputerowym do komputerów stacjonarnych był Hycomp 250, wydany przez Packard Bell w 1961 roku. Innym wczesnym przykładem był HYDAC 2400, zintegrowany komputer hybrydowy wydany przez EAI w 1963 roku. W latach 80. firma Marconi Space and Defense Systems Limited (pod kierownictwem Peggy Hodges ) opracowała „Starglow Hybrid Computer”, który składał się z trzech komputerów analogowych EAI 8812 połączonych z komputerem cyfrowym EAI 8100, przy czym ten ostatni jest również połączony z SEL komputer cyfrowy 3200. Pod koniec XX wieku liczba hybryd zmniejszyła się wraz ze wzrostem możliwości komputerów cyfrowych, w tym cyfrowych procesorów sygnałowych .

Ogólnie rzecz biorąc, komputery analogowe są niezwykle szybkie, ponieważ są w stanie rozwiązywać najbardziej złożone matematycznie równania z szybkością, z jaką sygnał przechodzi przez obwód, co na ogół stanowi znaczny ułamek prędkości światła. Z drugiej strony precyzja komputerów analogowych nie jest dobra; są ograniczone do trzech lub co najwyżej czterech cyfr precyzji.

Komputery cyfrowe można zbudować tak, aby rozwiązywać równania z niemal nieograniczoną precyzją, ale dość wolno w porównaniu z komputerami analogowymi. Ogólnie rzecz biorąc, złożone równania matematyczne są aproksymowane za pomocą metod iteracyjnych , które wymagają ogromnej liczby iteracji, w zależności od tego, jak dobre jest początkowe „odgadnięcie” wartości końcowej i pożądana precyzja. (To wstępne przypuszczenie jest znane jako numeryczne „ziarno”.) W przypadku wielu w czasie rzeczywistym w XX wieku takie obliczenia cyfrowe były zbyt wolne, aby mogły być przydatne (np. dla bardzo wysokich częstotliwości radary z układem fazowym lub obliczenia pogodowe), ale precyzja komputera analogowego jest niewystarczająca.

Komputery hybrydowe mogą być używane do uzyskiwania bardzo dobrej, ale stosunkowo nieprecyzyjnej wartości „zalążkowej”, przy użyciu interfejsu komputera analogowego, który jest następnie wprowadzany do iteracyjnego procesu komputera cyfrowego w celu osiągnięcia ostatecznego pożądanego stopnia precyzji. Dzięki trzy- lub czterocyfrowemu, bardzo dokładnemu ziarnu numerycznemu, całkowity czas obliczeń cyfrowych do osiągnięcia pożądanej precyzji jest radykalnie skrócony, ponieważ wymaganych jest o wiele mniej iteracji. Jednym z głównych problemów technicznych do pokonania w komputerach hybrydowych jest minimalizacja szumów komputera cyfrowego w analogowych elementach obliczeniowych i systemach uziemiających.

Weźmy pod uwagę, że układ nerwowy zwierząt jest formą hybrydowego komputera. Sygnały przechodzą przez synapsy z jednej komórki nerwowej do drugiej jako dyskretne (cyfrowe) pakiety substancji chemicznych, które są następnie sumowane w komórce nerwowej w analogiczny sposób poprzez budowanie potencjału elektrochemicznego aż do jego progu zostaje osiągnięty, po czym rozładowuje się i wysyła serię cyfrowych pakietów do następnej komórki nerwowej. Korzyści są co najmniej trojakie: szumy w systemie są zminimalizowane (i zwykle nie sumują się), nie jest wymagany wspólny system uziemiający, a degradacja sygnału jest minimalna, nawet jeśli występują znaczne różnice w aktywności komórek wzdłuż linii ścieżka (tylko opóźnienia sygnału mają tendencję do zmiany). Poszczególne komórki nerwowe są analogiczne do komputerów analogowych; synapsy są analogiczne do komputerów cyfrowych.

Komputery hybrydowe różnią się od systemów hybrydowych . Ten ostatni może być jedynie komputerem cyfrowym wyposażonym w przetwornik analogowo-cyfrowy na wejściu i/lub przetwornik cyfrowo-analogowy na wyjściu, służący do przetwarzania sygnałów analogowych do zwykłego przetwarzania sygnałów cyfrowych i odwrotnie , np. do sterowania fizycznymi systemami sterowania, takimi jak serwomechanizmy .

Hybrydowy układ komputerowy VLSI

W 2015 roku naukowcy z Columbia University opublikowali artykuł na temat małego komputera hybrydowego w technologii 65 nm CMOS. Ten hybrydowy komputer VLSI czwartego rzędu zawiera 4 bloki integratora, 8 bloków mnożnika/ustawiania wzmocnienia, 8 bloków fanout do dystrybucji sygnałów w trybie prądowym, 2 bloki ADC, 2 DAC i 2 bloki SRAM. Na chipie są również zaimplementowane kontrolery cyfrowe do wykonywania instrukcji zewnętrznych. Eksperyment z robotem przedstawiony w artykule demonstruje wykorzystanie hybrydowego układu komputerowego w powstających obecnie aplikacjach wbudowanych o niskim zużyciu energii.

Linki zewnętrzne

A New Tool for Science Daniel Greco i Ken Kuehl, The Wisconsin Engineer, listopad 1972, przedruk z lutego 2001
Nadel LD, Kramer MR, Shultheis DC, McCulloh TA (kwiecień 1977). „Hybrydowy system komputerowy do użytku w kardiologii”. Med Prog Technol . 4 (4): 185–91. PMID 865418 .
„OBLICZENIA HYBRYDOWE: CO I DLACZEGO?” . Komputery i automatyka . XII (10): 10 –17. październik 1963.