16.3.Аналог или цифра

Аргументы специалистов – противников цифровых вычислительных машин, заключались в следующем:

• в Советском Союзе налажено производство аналоговых вычислительных машин, которые успешно решают актуальные задачи, связанные с обороноспособностью страны, а от добра, добра не ищут.

• аналоговая машина решает систему дифференциальных уравнений гораздо быстрее цифрового компьютера;

Последнее возражение было справедливо, относительно первых моделей компьютеров. Действительно, система дифференциальных уравнений десятого порядка решалась на компьютере типа М-20 десятки часов. Да еще надежность ламповых компьютеров оставляла желать лучшего. За время решения задачи компьютер давал неоднократные сбои, что вызывало необходимость резервирования промежуточных данных и трехкратного повторения решения одной и той же задачи.

Аналоговые компьютеры отправляли в космос Гагарина, управляли турбинами на гидроэлектростанциях и первыми атомными реакторами, активно использовались военными и создавали звук в музыкальных синтезаторах.

Однако, основной недостаток аналоговых компьютеров – принципиально малая точность вычислений был неустраним. Вследствие неидеальности работы отдельных операционных усилителей, неточности установки их коэффициентов передачи и начальных условий, решение, найденное с помощью АВМ, имеет погрешности. Результирующая погрешность зависит не только от перечисленных первичных источников, но и от характера и особенностей решаемой задачи. Как правило, погрешность увеличивается с ростом числа решающих (особенно нелинейных) элементов, включенных последовательно. Цифровые же компьютеры обеспечивали гораздо большую точность вычислений (правда, за счет увеличения времени решения задачи).

Но был еще очень существенный недостаток аналоговых вычислителей – они не могли решать логические задачи. На первых шагах становления автоматизации вычислений этот недостаток был несущественен, так как первые цифровые компьютеры проектировались для решения тех же самых задач, что и аналоговые машины (решение дифференциальных уравнений большого порядка).

Требования к технологиям автоматических вычислений возрастали и решение логических задач (а в дальнейшем, и задач обработки символьной информации) выдвигалось на первый план. Цифровым компьютерам было без разницы какую работу выполнять –решение задачи математической физики или логической задачи принятия решений.

Повышение эффективности ЭАВМ связано с внедрением в аналоговую технику цифровых методов, в частности цифровых дифференциальных анализаторов, у которых отдельные решающие элементы выполняют математические операции над приращениями переменных, представленных в одном из цифровых кодов, с передачей результатов от элемента к элементу по принципам ЭАВМ. Применение цифровых дифференциальных анализаторов, особенно последовательных, для специальных ЭАВМ, не требующих высокого быстродействия, снижает общий объём аппаратуры, хотя в остальных случаях они по всем техническим показателям и возможностям существенно уступают цифровым вычислительным машинам.

Гораздо большими возможностями обладают гибридные вычислительные системы, у которых исходные величины представлены одновременно в цифровой и аналоговой форме. Не вдаваясь в подробности, гибридную вычислительную систему можно представлять в виде аналоговой вычислительной машиной, сопряженной с цифровым компьютером. Аналоговая часть решает систему дифференциальных уравнений (быстро), а цифровая часть обеспечивает решение логической задачи выбора наилучшего варианта решения.

Примечание. Очевидно, что проблема малой точности решения дифференциальных уравнений при этом не исчезает.

Тем не менее, гибридными системами могут решатся следующие классы задач:

1. моделирование в реальном масштабе времени автоматических систем управления, содержащих как аналоговые, так и цифровые устройства;

2. воспроизведение в реальном масштабе времени процессов, содержащих высокочастотные составляющие и переменные, изменяющиеся в широком амплитудном и частотном диапазоне;

3. статистическое моделирование и моделирование биологических систем;

4. решение уравнений в частных производных;

5. оптимизация систем управления.

Дальнейший этап развития технических средств автоматизации (70-е годы XX века) совпал с широким внедрением новых средств контроля в промышленные системы автоматизации производственных процессов, созданных на базе аналого-цифровой техники. Под руководством д.т.н. Б.Я. Когана создаются гибридные вычислительные системы ГВС-100, а впоследствии – двухуровневая ГВС “Русалка”.

Время решения дифференциальных уравнений цифровыми компьютерами неуклонно уменьшалось за счет увеличения их быстродействия и увеличения объема оперативной памяти. Тем самым становился все менее и менее значимым основной недостаток цифровых компьютеров, по сравнению с аналоговыми вычислителями. Одновременно происходило уменьшение их стоимости и размеров при одновременном увеличении надежности работы. Круг решаемых цифровыми компьютерами прикладных задач постоянно расширялся ( в настоящее время компьютеры не столько решают уравнения, сколько "перемалывают" символьную информацию).

Сказанное выше объясняет, почему к середине семидесятых годов XX века аналоговые вычислительные машины ушли, уступив место цифровым компьютерам.