Když uslyšíte slovo „počítač“, vaše další myšlenka je pravděpodobně něco jako „digitální“, „elektronický“ nebo „binární“. Nicméně vše, co umí počítat, je počítač. Analogové počítače si začaly přicházet na své a v budoucnu můžete vidět, že tato technologie doplní počítače, které vidíme dnes.
Co to jsou analogové počítače?
Digitální počítače, jako je ten, který používáte k přístupu na tento web, používají binární data. Vše, co digitální počítač dělá, lze zredukovat na řetězec jedniček a nul. Takže ať se děje cokoliv, vždy můžete něco digitálního rozsekat na malé kousky. Ať už jde o audio nahrávku nebo obrázek. Analogové počítače nepracují s diskrétními hodnotami, jako je jednička nebo nula. Místo toho ke své práci používají spojitý proměnný signál. Může to být hladina kapaliny v řadě trubek, úrovně napětí nebo mechanický pohyb. Používají fyzickou hmotu k přímému znázornění problému a manipulují s ním, aby dosáhli řešení.
Nejstarším známým příkladem analogového počítače je mechanismus Antikythera, což bylo zařízení používané k mechanickému modelování sluneční soustavy. Nejslavnějším moderním příkladem je 1949 MONIAC neboli analogový počítač s měnovým národním příjmem. Tento počítač používal tekutinu k modelování toku peněz v ekonomice. Například jedna nádrž představovala státní pokladnu Spojeného království a „peníze“ by z ní proudily do jiných částí ekonomiky a zase zpět. Můžete modelovat různé ekonomické politiky úpravou toků z různých nádrží a uvidíte, jak tyto změny ovlivní ekonomiku.
S rozvojem digitálních počítačů, a zejména integrovaných obvodů, byly analogové počítače jen o něco víc než kuriozita, ale jak se problémy s výpočetní technikou vyjasňují, možná brzy vstoupíme do zlatého věku analogových počítačů.
Některé věci jsou pro samotné mikročipy příliš složité
Navzdory neuvěřitelnému pokroku v oblasti digitálních počítačů zůstávají některé úkoly nesmírně složité. Digitální počítače vynikají v rychlém a přesném procházení obrovských objemů dat, ale jsou zásadně omezené, pokud jde o simulaci chaotických nebo nelineárních systémů. To je místo, kde analogové počítače září.
Přemýšlejte o tom, jak používáme digitální počítače k (hrubé) simulaci fungování neuronových sítí. Vyžaduje obrovské množství energie a obrovské množství výpočetního výkonu. Místo toho výzkumníci vytvořili „mozek“ pomocí stříbrných nanodrátů. Dráty představují neurony v neuronové síti přímo, nejsou simulací ve virtuálním digitálním prostoru. Ukázalo se, že je to mnohem energeticky účinnější a výpočetně, není zde žádná režie v tradičním slova smyslu, protože analogový počítač „počítá“ sám.
Díky pokrokům ve vědě o materiálech a výrobních metodách můžeme nyní vytvářet analogové „čipy“, které jsou digitálním a analogovým hybridem. Analogové obvody uvnitř jsou navrženy tak, aby efektivně řešily jeden problém nebo malou sadu problémů, a digitální části analogového počítače vám umožňují ovládat a monitorovat analogové vstupy a výstupy a zároveň delegovat práci na digitální nebo analogové procesory.
Heuristika, algoritmy, AI a váš mozek
Analogové počítače jsou také důležité, protože existuje spousta problémů, které není třeba řešit s přesností na desetinnou čárku, a když se díváme na výsledky, které jsou výslovně nepřesné, digitální počítač může být v první řadě špatnou volbou. I když bychom váhali s přirovnáním savčích mozků jako celku k jakémukoli druhu „počítače“, určitě existují dílčí součásti našeho mozku, které jsou v podstatě složité analogové počítače vyvinuté k řešení konkrétních problémů. Mozky zpracovávají informace a říkáme tomu „poznávání“ spíše než druh naprogramovaného procesu, který používá digitální počítač, ale tyto paralely je těžké zavrhnout.
Lidé a jiní savci používají „heuristiku“, což jsou energeticky účinné, většinou přesné zkratky, které šetří čas a energii intenzivního poznávání. Heuristika nám umožňuje reagovat na věci rychle bez přemýšlení. Zdá se, že některé se vyvinuly a jiné se vyvíjejí učením. Počítače používají algoritmy, což jsou intenzivní procesy krok za krokem, které vedou k určitým výsledkům. Oba mají své místo, ale heuristika se dobře hodí pro náš pomalý, ale neuvěřitelně paralelní wetware. Analogové počítače nabízejí způsob, jak vnést heuristiku do našich počítačů, nebo najít velmi energeticky účinné způsoby, jak dát algoritmům fyzickou, nedigitální podobu.
Budoucnost počítačů je smíšená
Několik společností vyvíjí počítačové projekty, které nejsou ani čistě digitální, ani přísně analogové, ale představují silnou kombinaci konceptů z celého spektra. Vezměte si například projekt Loihi 2 společnosti Intel. Tyto „neuromorfní“ čipy jsou navrženy tak, aby simulovaly biologické nervové struktury v hardwaru, což umožňuje robotům zažít vjemy nebo vytvářet čipy, které dokážou detekovat pachy. I když tyto čipy napodobují strukturu a funkci neuronů, fungují spíše pomocí fyzických umělých neuronů než plně digitálních simulací. Tento přístup umožňuje efektivnější zpracování úkolů souvisejících se smyslovým vstupem a rozhodováním.
Čip TrueNorth od IBM je dalším slibným neuromorfním designem, jehož cílem je překlenout propast mezi digitálními a analogovými výpočty. I když funguje pomocí digitálních procesů, architektura čipu je inspirována neuronovými sítěmi mozku, což z něj činí hybridní model, který využívá jak digitální, tak analogové koncepty.
A pravděpodobně to nezůstane jen u toho. Rozvíjející se typy výpočetní techniky, jako je výpočetní technika založená na DNA a kvantová výpočetní technika, mohou být brzy integrovány s tradičními a analogovými přístupy k řešení širší řady problémů. Zatímco digitální výpočetní technika tyto inovace odstartovala, je možné, že budoucí zařízení – možná i váš smartphone – budou obsahovat drobné analogové součástky, které fungují spíše jako kovový mozek než konvenční procesor.
