Цифровой журнал «Компьютерра» 2012 № 13 (113) - [3]
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.
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 задачи нельзя. Вся схема целиком одномоментно имитирует решение эквивалентной ей задачи. Вывод таким аналоговым компьютером результатов решения «запрограммированной» в его схеме задачи осуществлялся чаще всего на осциллограф в виде графиков развития во времени моделируемого процесса.
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».
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.
Схема программируемой аналоговой матрицы FPAA
Являясь особым видом ПЛИС, интегральные схемы FPAA легко перепрограммируются под решение конкретных вычислительных задач, обеспечивая при этом минимально возможные для аналоговых операционных элементов погрешности вычислений. В отличие от своих цифровых собратьев FPGA, содержащих значительное количество логических элементов и соединительных связей, интегральные схемы FPAA состоят из относительно небольшого числа CAB-модулей, каждый из которых содержит либо схемы на основе операционных усилителей, либо массивы ёмкостей и резисторов. Фактически микросхемы FPAA реализуют конструкцию обычного аналогового компьютера с кросс-панелью в миниатюре. А это означает, что их можно применять для задач, в которых аналоговые компьютеры традиционно сильны. Так, современные FPAA в специальном исполнении, защищающем их от космической радиации, работают в качестве вычислителей орбит и траекторий полёта современных спутников и пилотируемых космических аппаратов.
