Гибридные компьютеры — это компьютеры, обладающие характеристиками аналоговых и цифровых компьютеров . Цифровой компонент обычно служит контроллером и обеспечивает логические и числовые операции, тогда как аналоговый компонент часто служит средством решения дифференциальных уравнений и других математически сложных задач.
Первой настольной гибридной вычислительной системой был Hycomp 250, выпущенный компанией Packard Bell в 1961 году. [1] Еще одним ранним примером был HYDAC 2400, интегрированный гибридный компьютер, выпущенный EAI в 1963 году. [2] В 1980-х годах компания Marconi Space and Defense Systems Limited (под руководством Пегги Ходжес ) разработала свой «Гибридный компьютер Starglow», который состоял из трех аналоговых компьютеров EAI 8812, связанных с цифровым компьютером EAI 8100, последний также был связан с цифровым компьютером SEL 3200. [3] В конце 20-го века количество гибридов сократилось с ростом возможностей цифровых компьютеров, включая процессоры цифровых сигналов . [4]
В целом аналоговые компьютеры чрезвычайно быстры, поскольку они способны решать самые математически сложные уравнения со скоростью, с которой сигнал проходит по цепи, что обычно составляет значительную часть скорости света. С другой стороны, точность аналоговых компьютеров невысока; они ограничены тремя или максимум четырьмя цифрами точности.
Цифровые компьютеры могут быть созданы для решения уравнений с почти неограниченной точностью, но довольно медленно по сравнению с аналоговыми компьютерами. Как правило, сложные математические уравнения аппроксимируются с использованием итеративных методов , которые требуют огромного количества итераций, в зависимости от того, насколько хороша начальная «догадка» конечного значения и насколько требуется точность. (Это первоначальное предположение известно как числовое «начальное число».) Для многих операций в реальном времени в 20-м веке такие цифровые вычисления были слишком медленными, чтобы их можно было использовать (например, для очень высокочастотных радаров с фазированной решеткой или для погодных расчетов). ), но точность аналогового компьютера недостаточна.
Гибридные компьютеры можно использовать для получения очень хорошего, но относительно неточного «исходного» значения с использованием аналогового компьютерного интерфейса, который затем передается в итеративный процесс цифрового компьютера для достижения конечной желаемой степени точности. При использовании трех- или четырехзначного высокоточного числового начального числа общее время цифровых вычислений для достижения желаемой точности значительно сокращается, поскольку требуется гораздо меньше итераций. Одной из основных технических проблем, которые необходимо решить при создании гибридных компьютеров, является минимизация шума цифровых компьютеров в аналоговых вычислительных элементах и системах заземления.
Учтите, что нервная система животных представляет собой разновидность гибридного компьютера. Сигналы передаются через синапсы от одной нервной клетки к другой в виде дискретных (цифровых) пакетов химических веществ, которые затем суммируются внутри нервной клетки аналоговым способом, создавая электрохимический потенциал до тех пор, пока не будет достигнут его порог , после чего он разряжается и отправляет серию цифровых пакетов следующей нервной клетке. Преимущества, по крайней мере, тройные: шум внутри системы сведен к минимуму (и, как правило, не является аддитивным), не требуется общая система заземления и минимальное ухудшение сигнала, даже если существуют существенные различия в активности ячеек вдоль линии связи. пути (только задержки сигнала имеют тенденцию меняться). Отдельные нервные клетки аналогичны аналоговым компьютерам; синапсы аналогичны цифровым компьютерам.
Гибридные компьютеры отличаются от гибридных систем . Последний может представлять собой не более чем цифровой компьютер, оснащенный аналого-цифровым преобразователем на входе и/или цифро-аналоговым преобразователем на выходе для преобразования аналоговых сигналов для обычной цифровой обработки сигналов и наоборот , например , для управления физическими системами управления, такими как сервомеханизмы .
В 2015 году исследователи из Колумбийского университета опубликовали статью [5] о небольшом гибридном компьютере с КМОП-технологией 65 нм. Этот гибридный компьютер СБИС 4-го порядка содержит 4 блока интегратора, 8 блоков умножения/усиления, 8 блоков разветвления для распределения сигналов токового режима, 2 АЦП, 2 ЦАП и 2 блока SRAM. На чипе также реализованы цифровые контроллеры для выполнения внешних инструкций. Эксперимент с роботом, представленный в статье, демонстрирует использование гибридного вычислительного чипа в современных встроенных приложениях с низким энергопотреблением.