Компьютерра PDA N164 (17.03.2012-23.03.2012)
Шрифт:
В середине пятидесятых годов прошлого столетия на Пензенском заводе счётно-аналитических машин (САМ) по заказу Министерства нефтяной и газовой промышленности был разработан электроинтегратор ЭИ-С (специальный), рещающая часть которого представляла крупнейшую в мире координатную сетку площадью двести квадратных метров. ЭИ-С позволял рассчитывать одновременную работу более пятисот эксплуатационных и двухсот пятидесяти нагнетательных нефтяных скважин. При этом для каждой скважины программировалось более пятидесяти изменяемых во времени параметров. Подробнее об ЭИ-С можно прочесть в журнале "Юный техник" номер 47 за 1960 год.
Координатная сетка ЭИ-С
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 модели
В советском компьютере МН-7 присутствуют все базовые компоненты типового аналогового вычислителя
Вычисления 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
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.
Даже 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 ЭВМ
Гибридная 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.