Гибридный компьютер
Гибридный компьютер, гибридная вычислительная машина, аналого-цифровая система — вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства аналоговых и цифровых вычислительных устройств.
История
Появление гибридных вычислительных систем было сопряжено с тем, что для ряда возникающих в технике задач моделирования сложных систем ни аналогового, ни цифрового методов не хватило.
Таковыми задачами стали:
Цифровые машины соответствующей эпохи[когда?] не имели достаточного быстродействия для обработки возникающих массивов данных в реальном времени, а аналоговые машины не позволяли достичь всего возможного разнообразия моделируемых ситуаций.
Поэтому было найдено решение разделить вычислительный процесс на несколько классов операций, после чего возложить наиболее сложную функциональную обработку сигналов на аналоговые модули системы, а алгоритмы принятия решений, сценарии и задание начальных и конечных условий — на цифровые модули.
Всё это позволило снизить затраты вычислительной мощности применяемых ЦВМ и повысить быстродействие получившихся гибридных систем.
Отличительные особенности
В гибридной вычислительной системе устранены многие недостатки, свойственные каждому из типов вычислительных машин в отдельности, и объединены такие преимущества, как:
Архитектура
Для взаимодействия аналоговых и цифровых узлов ГВМ применяются специальные устройства преобразования, в частности, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), управляемые усилители, коммутаторы и т. п.
Гибридные вычислительные системы строятся из следующих элементов:
Эффективный гибридный комплекс может быть создан только в результате тщательного исследования предметной области, уточнения всех особенностей применения и детального анализа типичных задач. Поэтому говорить о какой-то единой архитектуре гибридных вычислительных систем в корне неверно.
Классификация
Гибридные вычислительные машины, как и аналоговые, можно разделить на две основных группы:
Также различают аналого-ориентированные, цифро-ориентированные и сбалансированные гибридные вычислительные системы.
Применение
Гибридными системами эффективно решаются следующие основные группы задач:
Моделирование в реальном времени
Одна из типичных задач первой группы — моделирование системы управления прокатного стана. В этом случае аналоговая вычислительная машина воспроизводит динамику процессов в самом стане, а управляющая машина моделируется ЦВМ общего назначения со специальной программой. Кратковременность переходных процессов в приводах станов и взаимосвязь большого числа величин при попытке смоделировать их целиком на ЦВМ в реальном масштабе времени потребовали бы применения сверхбыстродействующих ЦВМ, при этом точность моделирования наиболее критичных, быстрых процессов, определялась бы прежде всего погрешностями дискретизации.
Этот класс задач типичен для управления военными объектами, например, системами ПВО или военным соединением.
Управление движущимся объектом
Вторая группа включает в себя две подгруппы задач:
Задачи самонаведения
Для них характерно то, что траектория движения формируется в процессе самого движения как результат управляющих и внешних воздействий. По мере приближений объекта к цели скорость изменения некоторых параметров становится столь велика, что использование чисто цифровых решений требует сверхвысокого быстродействия, а чисто аналоговое решение не способно охватить большой динамический диапазон измеряемых величин с приемлемой точностью. Кроме того, аналоговая машина может корректно обработать не всякую «пограничную» ситуацию.
В этом случае гибридная система позволяет скомпенсировать недостатки обеих технологий и «выкрутиться» из нештатных состояний.
Комплексные тренажёры
Построение вычислительной части комплексных тренажёров показало, что наибольшая точность моделирования достигается, если уравнения движения вокруг центра тяжести возлагаются на аналоговую часть, а движением центра тяжести в пространстве и всеми кинематическими соотношениями занимается цифровая машина.
Стохастические процессы
К этой группе принято относить задачи, решаемые обработкой результатов многократной реализации случайного процесса.
Реализация случайного процесса аналоговой машиной во-первых, не требует пропорционального возрастания энергетических затрат при повышении быстродействия, а во-вторых, позволяет (в отличие от цифровых алгоритмов) снизить повторяемость генерируемых последовательностей, особенно при очень большой их длине.
Быстродействующая АВМ работает при этом в режиме многократного повторения решения, а обработка полученных на её выходах результатов, обработка граничных условий, вычисление функционалов — возлагается на ЦВМ. Кроме того, именно ЦВМ задаёт критерии и по ним определяет окончание обсчёта.
Гибридные решения позволяют сократить время решения задач такого типа на несколько порядков по сравнению с чисто цифровыми алгоритмами, а также, в ряде случаев, без существенных затрат повысить надёжность получаемых результатов.
Биологические системы
Близкие по эффективности результаты достигаются при исследовании гибридными системами процессов распространения возбуждения в биологических системах. Специфика данного вида задач, даже в их простейшем варианте, моделирование такой среды состоит в построении сложной нелинейной системы уравнений в частных производных.
Оптимизация управления
Решение задач оптимального управления при применении к объектам выше третьего порядка сталкивается с принципиальными трудностями.
Особенно возрастают сложности моделирования и получения решения, если оптимальное управление требуется искать на работающей системе.
Именно гибридные вычислительные системы позволяют устранить или хотя бы минимизировать эти трудности. Для этого с помощью ГВМ реализуют такие методы, как принцип максимума Понтрягина, чрезвычайно сложные в вычислительном отношении.
Частные производные
ГВМ эффективно применяются также в задачах, где главным является построение и решения нелинейных уравнений в частных производных.
Это могут быть как задачи анализа, так и задачи оптимизации и идентификации.
Примеры задач оптимизации:
При решении этих задач ЦВМ соединяется с сеточной моделью, многократно используемой в процессе решения.
Современное состояние
Рост вычислительной мощности микропроцессоров на несколько порядков, миниатюризация цифрового оборудования снизили потребность в построении гибридных систем для большинства описанных задач, и в настоящее время гибридные решения могут сохранять применение:
Серийные модели
Экстрема — семейство настольных гибридных вычислительных систем. По быстродействию и способу набора условий машины этого семейства близки к аналоговым вычислительным машинам. Последние модели были построены на базе аналогового процессора с дополнительными системами задания начальных значений переменных. Для управления вычислительным процессом использовалось устройство визуального отображения и устройство измерения и контроля условий задачи, формирования временных и тактовых сигналов. Использовались для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентальных уравнений, систем конечных неравенств, систем обыкновенных и нелинейных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями, отыскания координат максимума и минимума функции многих переменных с различными ограничениями, задач нелинейного программирования и др. Основные характеристики последних моделей:
Проблемы
Помимо преимуществ «разделения труда», гибридные вычислительные системы имеют свои собственные трудности проектирования, отсутствующие как в цифровом, так и в аналоговом оборудовании.
Главной проблемой являются погрешности дискретизации:
Так как в гибридных системах происходит многократный двусторонний обмен данными между аналоговой и цифровой частями, то переменная величина временной задержки, вносимой программной обработкой, может привести к возникновению непредусмотренной моделью нелинейной обратной связи. При работе ЦВМ с АЦП и ЦАП преобразователями это не вызывает столь существенных проблем, а в гибридной вычислительной системе это может приводить к потере устойчивости и нарушить работоспособность всей системы.
Для оценки погрешности конкретного комплекса требуется чрезвычайно сложный анализ первичных погрешностей оборудования и вносимых преобразованиями вторичных погрешностей. Без этого невозможна разработка точных вычислительных комплексов.
Несмотря на то, что первичные погрешности АВМ и ЦВМ, из которых строятся гибридные системы, достаточно хорошо изучены, проблема оценки погрешности при решении с помощью гибридного комплекса нелинейных задач ещё не разрешена.
Заблуждения
В литературе встречаются случаи ошибочного отнесения к гибридным вычислительным системам аналоговых вычислительных машин, имеющих отдельные элементы дискретной логики:
Следует заметить, что такие вычислительные машины сохраняют аналоговое представление как основное, а цифровые элементы несут исключительно вспомогательные функции.
Гибридный компьютер
Гибридный компьютер, гибридная вычислительная машина, аналого-цифровая система — вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства аналоговых и цифровых вычислительных устройств. [1]
Содержание
История
Появление гибридных вычислительных систем было сопряжено с тем, что для ряда возникающих в технике задач моделирования сложных систем ни аналогового, ни цифрового методов не хватило.
Таковыми задачами стали:
Цифровые машины соответствующей эпохи [когда?] не имели достаточного быстродействия для обработки возникающих массивов данных в реальном времени, а аналоговые машины не позволяли достичь всего возможного разнообразия моделируемых ситуаций.
Поэтому было найдено решение разделить вычислительный процесс на несколько классов операций, после чего возложить наиболее сложную функциональную обработку сигналов на аналоговые модули системы, а алгоритмы принятия решений, сценарии и задание начальных и конечных условий — на цифровые модули.
Всё это позволило снизить затраты вычислительной мощности применяемых ЦВМ и повысить быстродействие получившихся гибридных систем.
Отличительные особенности
В гибридной вычислительной системе устранены многие недостатки, свойственные каждому из типов вычислительных машин в отдельности, и объединены такие преимущества, как: [1] [2]
Архитектура
Гибридные вычислительные системы строятся из следующих элементов:
Эффективный гибридный комплекс может быть создан только в результате тщательного исследования предметной области, уточнения всех особенностей применения и детального анализа типичных задач. Поэтому говорить о какой-то единой архитектуре гибридных вычислительных систем в корне неверно.
Классификация
Гибридные вычислительные машины, как и аналоговые, можно разделить на две основных группы:
Также различают аналого-ориентированные, цифро-ориентированные и сбалансированные гибридные вычислительные системы.
Применение
Гибридными системами эффективно решаются следующие основные группы задач:
Моделирование в реальном времени
Одна из типичных задач первой группы — моделирование системы управления прокатного стана. В этом случае аналоговая вычислительная машина воспроизводит динамику процессов в самом стане, а управляющая машина моделируется ЦВМ общего назначения со специальной программой. Кратковременность переходных процессов в приводах станов и взаимосвязь большого числа величин при попытке смоделировать их целиком на ЦВМ в реальном масштабе времени потребовали бы применения сверхбыстродействующих ЦВМ, при этом точность моделирования наиболее критичных, быстрых процессов, определялась бы прежде всего погрешностями дискретизации.
Этот класс задач типичен для управления военными объектами, например, системами ПВО или военным соединением.
Управление движущимся объектом
Вторая группа включает в себя две подгруппы задач:
Задачи самонаведения
Для них характерно то, что траектория движения формируется в процессе самого движения как результат управляющих и внешних воздействий. По мере приближений объекта к цели скорость изменения некоторых параметров становится столь велика, что использование чисто цифровых решений требует сверхвысокого быстродействия, а чисто аналоговое решение не способно охватить большой динамический диапазон измеряемых величин с приемлемой точностью. Кроме того, аналоговая машина может корректно обработать не всякую «пограничную» ситуацию.
В этом случае гибридная система позволяет скомпенсировать недостатки обеих технологий и «выкрутиться» из нештатных состояний.
Комплексные тренажёры
Построение вычислительной части комплексных тренажёров показало, что наибольшая точность моделирования достигается, если уравнения движения вокруг центра тяжести возлагаются на аналоговую часть, а движением центра тяжести в пространстве и всеми кинематическими соотношениями занимается цифровая машина.
Стохастические процессы
К этой группе принято относить задачи, решаемые обработкой результатов многократной реализации случайного процесса.
Реализация случайного процесса аналоговой машиной во-первых, не требует пропорционального возрастания энергетических затрат при повышении быстродействия, а во-вторых, позволяет (в отличие от цифровых алгоритмов) снизить повторяемость генерируемых последовательностей, особенно при очень большой их длине.
Быстродействующая АВМ работает при этом в режиме многократного повторения решения, а обработка полученных на её выходах результатов, обработка граничных условий, вычисление функционалов — возлагается на ЦВМ. Кроме того, именно ЦВМ задаёт критерии и по ним определяет окончание обсчёта.
Гибридные решения позволяют сократить время решения задач такого типа на несколько порядков по сравнению с чисто цифровыми алгоритмами, а также, в ряде случаев, без существенных затрат повысить надёжность получаемых результатов.
Биологические системы
Близкие по эффективности результаты достигаются при исследовании гибридными системами процессов распространения возбуждения в биологических системах. Специфика данного вида задач, даже в их простейшем варианте, моделирование такой среды состоит в построении сложной нелинейной системы уравнений в частных производных.
Оптимизация управления
Решение задач оптимального управления при применении к объектам выше третьего порядка сталкивается с принципиальными трудностями.
Особенно возрастают сложности моделирования и получения решения, если оптимальное управление требуется искать на работающей системе.
Именно гибридные вычислительные системы позволяют устранить или хотя бы минимизировать эти трудности. Для этого с помощью ГВМ реализуют такие методы, как принцип максимума Понтрягина, чрезвычайно сложные в вычислительном отношении.
Частные производные
ГВМ эффективно применяются также в задачах, где главным является построение и решения нелинейных уравнений в частных производных.
Это могут быть как задачи анализа, так и задачи оптимизации и идентификации.
Примеры задач оптимизации:
При решении этих задач ЦВМ соединяется с сеточной моделью, многократно используемой в процессе решения.
Современное состояние
Рост вычислительной мощности микропроцессоров на несколько порядков, миниатюризация цифрового оборудования снизили потребность в построении гибридных систем для большинства описанных задач, и в настоящее время гибридные решения могут сохранять применение:
Серийные модели
Экстре́ма — семейство настольных гибридных вычислительных систем. По быстродействию и способу набора условий машины этого семейства близки к аналоговым вычислительным машинам. Последние модели были построены на базе аналогового процессора с дополнительными системами задания начальных значений переменных. Для управления вычислительным процессом использовалось устройство визуального отображения и устройство измерения и контроля условий задачи, формирования временны́х и тактовых сигналов. Использовались для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентальных уравнений, систем конечных неравенств, систем обыкновенных и нелинейных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями, отыскания координат максимума и минимума функции многих переменных с различными ограничениями, задач нелинейного программирования и др. [1] Основные характеристики последних моделей:
Проблемы
Помимо преимуществ «разделения труда», гибридные вычислительные системы имеют свои собственные трудности проектирования, отсутствующие как в цифровом, так и в аналоговом оборудовании.
Главной проблемой являются погрешности дискретизации:
Так как в гибридных системах происходит многократный двусторонний обмен данными между аналоговой и цифровой частями, то переменная величина временной задержки, вносимой программной обработкой, может привести к возникновению непредусмотренной моделью нелинейной обратной связи. При работе ЦВМ с АЦП и ЦАП преобразователями это не вызывает столь существенных проблем, а в гибридной вычислительной системе это может приводить к потере устойчивости и нарушить работоспособность всей системы.
Для оценки погрешности конкретного комплекса требуется чрезвычайно сложный анализ первичных погрешностей оборудования и вносимых преобразованиями вторичных погрешностей. Без этого невозможна разработка точных вычислительных комплексов.
Несмотря на то, что первичные погрешности АВМ и ЦВМ, из которых строятся гибридные системы, достаточно хорошо изучены, проблема оценки погрешности при решении с помощью гибридного комплекса нелинейных задач ещё не разрешена.
Интересные факты
Нервы животных могут служить примером аналоговой системы. Сигналы проходят через синапсы от одной нервной клетки к следующей как дискретные (цифровые) сигналы, которые затем преобразуются внутри нервных клеток в аналоговый моды путем создания электро-химического потенциал, пока его порог не будет достигнут, после чего происходит передача серии цифровых сигналов в следующую клетку нерва. [4]
Заблуждения
В литературе встречаются случаи ошибочного отнесения к гибридным вычислительным системам аналоговых вычислительных машин, имеющих отдельные элементы дискретной логики:
Следует заметить, что такие вычислительные машины сохраняют аналоговое представление как основное, а цифровые элементы несут исключительно вспомогательные функции.
Гибридные компьютеры: особенности, типы, преимущества, примеры
Содержание:
В гибридные компьютеры Это оборудование, отражающее особенности аналоговых и цифровых машин. Цифровое устройство используется для управления и решения логико-арифметических операций, а аналоговое устройство используется в качестве решателя для дифференциальных уравнений.
Как правило, приближенное решение сложных уравнений получается с использованием итерационных численных методов, которые требуют большого количества итераций, в зависимости от того, насколько хорошее начальное «начальное значение» конечного значения и желаемая точность.
Аналоговое оборудование обычно работает на удивление быстро, потому что оно может решать чрезвычайно сложные уравнения относительно скорости прохождения сигнала по цепи, что составляет приличную часть скорости света.
Однако точность аналоговых компьютеров невысока и ограничивается тремя или максимум четырьмя знаками точности.
С другой стороны, цифровое оборудование производится таким образом, что решение уравнений доводится до почти точной точности, хотя и намного медленнее по сравнению с аналоговыми компьютерами.
Таким образом, для многих операций в реальном времени эти цифровые вычисления слишком медленны, чтобы их можно было использовать, но точность аналогового компьютера также недостаточна. Отсюда важность гибридных компьютеров.
характеристики
Комбинация аналоговых и цифровых компонентов
Эти компьютеры основаны на компьютерной системе, которая сопоставляет аналоговые устройства с цифровыми.
Обычно аналоговые компоненты компьютера выполняют сложные математические вычисления. Цифровые компоненты отвечают как за арифметические, так и за логические операции, а также используются для управления системой.
В случае суперкомпьютера это соответствует комбинации машин, способных обрабатывать цифровые и аналоговые сигналы. Гибридный компьютер предоставляет подходящий метод для выполнения очень сложных симуляций.
Лучшее из аналогового и цифрового мира
Создав этот тип встроенного компьютера, можно легко получить преимущества как аналоговых, так и цифровых вычислений.
Гибридный компьютер невероятно быстр, когда дело доходит до решения уравнений, даже если вычисления чрезвычайно сложны. Это так благодаря наличию важных аналоговых компонентов в конструкции оборудования.
Следовательно, гибридный компьютер может решать уравнения с той же способностью, что и аналоговый компьютер. Кроме того, цифровые элементы служат для исключения одного из основных недостатков полностью аналогового устройства.
Для сравнения, диапазон точности аналогового компьютера ограничен, в то время как точность цифрового компьютера намного выше.
За счет интеграции элементов, которые позволяют цифровому компьютеру с точностью до трех или четырех знаков, гибридные вычисления позволяют обрабатывать уравнения намного быстрее, чем с помощью только цифрового варианта.
Другими словами, гибридные вычисления предлагают скорость и точность, избавляя пользователя от необходимости довольствоваться только цифровым или аналоговым компьютером.
Технические приложения
Гибридное оборудование в основном предназначено для технических приложений, в которых обрабатываются не только дискретные данные, но и непрерывные. То есть они позволяют обрабатывать эти два типа данных.
И аналоговые, и гибридные компьютеры представляют собой специально созданные компьютеры, и их приложения заранее определены во время проектирования.
Типы
2 в 1 ПК
Для портативного компьютера термин «гибридный компьютер» используется для обозначения ПК 2-в-1. Этот тип ПК состоит из съемного экрана и клавиатуры, объединяя, таким образом, функциональность портативного компьютера и планшета.
Эти гибридные компьютеры обладают мощностью компьютера и, кроме того, после отключения клавиатуры они становятся портативными, как планшет.
Например, этот гибридный компьютер можно использовать для выполнения задач с его помощью в течение дня, а затем путем разделения экрана, чтобы иметь возможность просматривать его в постели в Facebook и Instagram.
Большие гибридные электронно-вычислительные машины
Они широко использовались с 1960-х до середины 1980-х годов и имели несколько сотен операционных усилителей.
Они решили чрезвычайно сложные и обширные наборы математических моделей дифференциальных уравнений.
Например, космические полеты с шестью степенями свободы, кинетика экзотермических химических реакций, системы управления предприятиями пищевой промышленности и иммуносупрессивная система человека.
Гибридные системы общего назначения
Это компьютеры, которые обладают способностью использовать различные приложения или решать многочисленные типы проблем.
Многие из этих типов гибридных компьютеров были когда-то системами специального назначения, то есть гибридными компьютерами, работающими неполный рабочий день, где вы могли получать результат с определенной скоростью.
Гибридные выделенные компьютеры
Они включают статические программы, которые нельзя настроить. Обычно они встраиваются в физические системы, которые обычно используются в качестве имитаторов подсистем, контроллеров функций или анализаторов вывода.
Например, пневматический компьютер использует пневмобаллон и сопла для генерации точных функций умножения, деления или извлечения квадратного корня входных сигналов, кодируя данные как давление воздуха.
Преимущества и недостатки
— Преимущество
Скорость
Эти компьютеры обладают огромной скоростью вычислений благодаря конфигурации, предлагаемой аналоговой системой. Это очень полезно при поиске численных результатов для дифференциальных уравнений, как в случае моделирования полета.
Для этих целей использовались аналоговые системы, потому что они были быстрее цифровых компьютеров и предлагали решения за меньшее время. Однако точность этих результатов была сомнительной.
Таким образом, гибридный компьютер обеспечивает быстрые и точные результаты, очень полезен при решении сложных уравнений в реальном времени, и очень важно получать результаты мгновенно.
Высокая точность
Результаты, полученные на гибридном оборудовании, оказываются намного точнее и прибыльнее, чем на предыдущих машинах. Это связано с цифровой составляющей гибридного компьютера.
В гибридном компьютере «начальные» значения генерируются быстро, хотя и не являются математически точными, поскольку это значение достигается с помощью внешнего интерфейса аналоговых вычислений.
Это значение отправляется в цифровой интерфейс, который с помощью итеративного процесса получает точное числовое начальное значение. Общее время, необходимое для вычисления этого точного значения, намного меньше, чем при использовании аналогового или только цифрового компьютера.
Обработка данных онлайн
Ценность гибридного компьютера легко увидеть, когда необходимо управлять уравнениями в реальном времени.
Подобно тому, как строго аналоговое устройство обеспечит быстрые результаты, которые не являются полностью точными, а цифровое устройство обеспечит более точные ответы, вычисление которых займет больше времени, гибридный подход позволяет получать ответы сейчас, а не позже.
Эти ответы также более подробны и полезны, чем быстрые ответы, предоставляемые аналоговым оборудованием.
— Недостаток
В наше время цифровые сигнальные процессоры заменили гибридные компьютеры.
Гибридная система
Продукты, продаваемые как гибридные системы, представляют собой не что иное, как цифровое компьютерное оборудование, дополненное аналого-цифровым преобразователем для входа и цифро-аналоговым преобразователем для управления выходом.
Такая система обычно считается менее эффективной, чем настоящий гибридный компьютер.
Примеры
Газовые насосы на станции обслуживания содержат процессор, который преобразует измерения расхода топлива в значения, соответствующие количеству и цене.
В бизнесе эти компьютеры могут использоваться в химической промышленности в качестве систем управления технологическим процессом.
HRS-100
Примером автономного гибридного компьютера является HRS-100, который широко использовался в 1970-х годах.
Он был изобретен и разработан для изучения динамических систем в реальном и ускоренном масштабе времени. Также за оперативное решение широкого круга научных задач в институтах СССР.
Медицинская зона
ЭКГ, эхокардиограмма, ультразвук и аппараты для холтеровского мониторирования являются примерами гибридных компьютеров.
Многие диагнозы, используемые в области медицины, попадают в эту категорию.
Например, в отделении интенсивной терапии больниц используется аналоговый прибор, который измеряет артериальное давление и температуру пациента. Эти значения преобразуются и отображаются на цифровом дисплее в числовой форме.
Учитывая скорость, с которой гибридные компьютеры могут обрабатывать данные, проводятся исследования онлайн-обработки данных.
Фактически, гибридный компьютер был установлен в Центре биомедицинской инженерии Университета Огайо, где данные сердечной катетеризации передаются из разных больниц на гибридный компьютер через инфракрасный оптический механизм.
Эти данные анализируются в режиме реального времени, и результаты немедленно предоставляются врачу. Таким образом, время ожидания между процедурой катетеризации и получением результата значительно сокращается.
HP Envy x2
Это ультратонкий гибридный персональный компьютер, в котором два устройства встроены в одно. Это ноутбук, который также можно использовать как планшет.
Он содержит экран, который можно снять и превратить в планшет, отсоединив его от клавиатуры с помощью магнитной застежки.