Параллельное развитие аналоговой и цифровой вычислительной техники

- разработку оптических компьютеров.

 

 

2. Аналоговая вычислительная техника

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) оперируют с математическими переменными, которые представлены в виде непрерывно изменяющихся физических величин [4,5,6].

В основу АВМ последнего поколения положено моделирование, сущность которого состоит в замене исследуемого физического процесса электрической моделью, имеющей такие же свойства. Это позволяет существенно упростить процесс исследования, сделать его более удобным и экономичным. Среди существующих методов моделирования наиболее широко применяются физическое и математическое моделирование.

Аналоговые машины обладают рядом преимуществ, к числу которых  можно отнести мгновенность получаемого  решения задачи, простота и наглядность процессов моделирования. Однако они имеют сравнительно невысокую точность получаемого решения и малую универсальность. 

Аналоговые вычислительные машины нашли применение при решении обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных, для решения алгебраических и трансцедентных уравнений, в качестве специализированных устройств управления технологическими процессами, управления приводом поворотных устройств антенн и т.д.

2.1. Логарифмическая шкала, логарифмическая линейка

Первое аналоговое вычислительное устройство появилось в домеханическом периоде доэлектронной истории вычислительной техники. Наравне со «счетными палочками» ученый Джон Непер был славен своим вторым изобретением - логарифмом, о чем сообщалось в работе «Описание удивительной таблицы логарифмов», опубликованной в 1614 г. Вслед за изобретением логарифмов делаются попытки механизировать логарифмические вычисления и создают логарифмическую шкалу и логарифмическую линейку, которые считаются первыми аналоговыми вычислительными устройствами.

2.2. Графики, номограммы, планиметр

В период механизации вычислительной техники аналоговые устройства совершенствуются, и создаются графики и номограммы — следующая разновидность аналоговых вычислительных устройств. Служат они для определения функций нескольких переменных и впервые встречаются в руководствах по навигации в 1791.

В 1814 английский учёный Дж. Герман разработал аналоговый прибор — планиметр, предназначенный для определения  площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости. Планиметр был усовершенствован в 1854 немецким учёным А. Амслером. Его интегрирующий прибор с катящимся колесом привёл позднее к изобретению английским физиком Дж. Томсоном фрикционного интегратора. В 1876 другой английский физик У. Томсон применил фрикционный интегратор в проекте гармонического анализатора для анализа и предсказывания высоты приливов в различных портах. Он показал в принципе возможность решения дифференциальных уравнений путём соединения нескольких интеграторов, однако из-за низкого уровня техники того времени идея не была реализована.

2.3. Изобретения  А.Н. Крылова

Первая механическая вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений при проектировании кораблей была построена А. Н. Крыловым в 1904. В  основу её была положена идея интеграфа  — аналогового интегрирующего прибора, разработанного польским математиком  Абданк-Абакановичем (1878) для получения интеграла произвольной функции, вычерченной на плоском графике.

А. Н. Крылов изобрел прибор для фотозаписи качки корабля (1913 г.), планометр-топорик (1908 г.), создал полную теорию разработки и оценки точности планиметров. Он построил прибор для решения обыкновенных дифференциальных уравнений (1911 г.). Им были разработаны или улучшены многие алгоритмы вычислений в области корабельных наук и баллистики, в 1896 г. он представил полную теорию качки корабля (3-мерный случай).

2.4. Изобретения  электромеханического периода

Дальнейшее развитие механических интегрирующих машин связано  с работами американского учёного  В. Буша, под руководством которого была создана чисто механическая интегрирующая машина (1931), а затем  её электромеханический вариант (1942). В 1936 русский инженер Н. Минорский  предложил идею электродинамического аналога. Толчок развитию современных  АВМ постоянного тока дала разработка Б. Расселом (1942-44, США) операционного  или решающего усилителя —  усилителя постоянного тока, имеющего весьма высокий коэффициент усиления.

2.5. Изобретения советской научной школы

В конце 40-х — начале 50-х годов Л.И. Гутенмахером, Н.С. Николаевым, Н.В. Корольковым, В. Б. Ушаковым и Г.М. Петровым создаются электроинтеграторы на активных четырехполюсниках  для моделирования обыкновенных линейных и нелинейных уравнений. Появление этих интеграторов позволило исследовать методом математического и полунатурного моделирования сложные динамические системы.

Таким образом, в период с 20-х до 50-х годов советская научная школа вышла на передовые позиции в решении задач методом моделирования, заложив принципиальные основы кибернетики.

Период электронного развития вычислительной техники в 1948 г. в СССР был ознаменован созданием первых электронных аналоговых вычислительных машин (АВМ), которые были построены на операционных усилителях постоянного тока. Именно операционные усилители, работающие по принципу систем автоматического регулирования с глубокой отрицательной обратной связью, позволили осуществить точное моделирование математических операторов (в том числе главного — интегрирование переменных) и параллельную обработку информации в реальном времени при решении систем дифференциальных уравнений.

Благодаря этому АВМ обеспечили решение важнейших задач в целом ряде направлений науки и техники (авиации, ракетостроении, космических исследованиях, оборонной промышленности и др.). В этот период ЦВМ еще не имели необходимого быстродействия для решения подобных задач.

На первом этапе (50-е годы) АВМ использовались в основном в виде самостоятельных средств математического моделирования динамических объектов в реальном времени. Часто они входили в состав тренажеров (авиационных, космических, атомных установок, транспортных средств и т. п.). Со временем (60-70-е годы) в связи с прогрессом в области цифровой электроники АВМ все чаще стали подключаться к ЦВМ для совместной обработки информации. Появился новый вид вычислительной техники — аналого-цифровые вычислительные комплексы (АЦВК). Функции АВМ и ЦВМ в этом случае существенно различались.

В 1958 г. в СССР была создана первая в мире полупроводниковая АВМ МН-10. Эта машина с большим успехом демонстрировалась на выставке в Нью-Йорке в июне 1959 г.

В 60-70-х годах специалистами НИИСчетмаша, ИПУ АН СССР создана серия аналоговых и аналого-цифровых комплексов с использованием микроэлектронной элементной базы, внедренных в серийное производство на отечественных заводах радиопромышленности.

В 80-х и начале 90-х гг. в НИИСчетмаше были созданы эффективные современные периферийные устройства для ввода-вывода в ЭВМ аналоговой информации в реальном времени, в их числе: двухкоординатные графопостроители, устройства автоматического распознавания графических изображений, векторные и растровые графические дисплеи, струйные и лазерные печатающие устройства, устройства автоматического распознавания речи и др.

 

 

Заключение

В данной работе рассмотрены  этапы развития вычислительной техники  в двух ее разновидностях. В заключение целесообразно сравнить пути развития аналоговой и цифровой вычислительной техники.

Рассматривая домеханический период, следует отметить зарождение как одного, так и другого видов вычислительной техники. Потребность в счете, а также в обработке небольших объемов данных, обусловленных тем временем, способствовали появлению и развитию средств и методов вычисления. На закате этого периода у человечества были в распоряжении абаки, «счетные палочки Непера», а также логарифмические линейки.

Механический период явился вследствие резкого развития торговых операций, океанического судоходства, астрономии. Наиболее бурное развитие в это время получает цифровая вычислительная техника, обеспечивающая переработку больших объемов данных. Здесь появляются суммирующие машины и арифмометры, а самыми значительными изобретениями того времени считают разностную и аналитическую машины Бэббиджа. Продвижения в аналоговой технике наблюдаются только в конце этого периода, когда советский изобретатель А.Н. Крылов разработал механическую вычислительную машину для решения дифференциальных уравнений при проектировании кораблей, а также создал теорию разработки и оценки точности планиметров – аналоговых устройств расчета площади замкнутой кривой.

Электромеханический период является самым коротким и основывается на развитии электротехники, в частности, изобретении электромагнитного реле. В этот период были разработаны цифровые машины Эйкена, Стибица, Цузе. В развитии аналоговой вычислительной техники не наблюдается прогресса и только в 1944 г. разработка операционного усилителя дает толчок развитию современных АВМ.

Быстрое развитие средств электронной аналоговой вычислительной техники, использующих операционные усилители для исследования динамических систем в реальном времени, наблюдается в 50-е - 60-е гг.. Развитие и основные успехи средств аналоговой вычислительной техники в этом направлении совпали по времени, с одной стороны, с весьма интенсивным развитием теории и практики систем управления сложными объектами, для исследования которых широко использовались аналоговые вычислительные машины, а с другой стороны, с быстрым развитием уровня и возможностей цифровой вычислительной техники. Это положение в определенной степени предопределило основные направления применения средств вычислительной техники: аналоговые машины рассматривались как средства моделирования систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, а цифровые машины – как средства решения большого числа разнообразных задач различных классов и различных направлений. Расширение круга задач и увеличение глубины исследований с помощью средств АВТ и явились, по-видимому, основными технико-экономическими причинами, вызвавшими быстрое развитие и переход к серийному выпуску быстродействующих аналоговых вычислительных машин и в том числе аналоговых машин, снабженных развитой системой управления.

В 70-х – 80-х годах прошлого века развитие вычислительных устройств  в конечном итоге привело к  созданию сложных электронных систем – как цифровых, так и аналоговых. При этом в то время наблюдалась  тенденция к интеграции обоих  направлений развития вычислительной техники путем создания комбинированных (гибридных) систем, сочетающих свойства как аналоговых, так и цифровых устройств.

В последние десятилетия  в связи с новыми направлениями  развития цифровой вычислительной техники  происходит её интеллектуализация, которая  расширяет круг решаемых с ее помощью задач.   

Интеллектуализация средств  аналоговой техники не состоялась, и это наряду с невысокой точностью  вычислений, привело к ее поражению  в соревновании с цифровой техникой, но не исчезновению.

 

 

 

Список используемой литературы:

1. Казакова И. А. История  вычислительной техники: учеб. пособие. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

2. Апокин И.А., Майстров Л.Е. История вычислительной техники: (От простейших счетных приспособлений до сложных релейных систем). – М.: Наука, 1990. – 264 с.

3. Жмакин А.П. Архитектура  ЭВМ. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 320 с: ил.

4. Зулин Б.Д., каф. ИТПА НТУ «ХПИ». Лекции к курсу «Информатика»

5. Щеголева Л.И., Давыдов  А.Ф. Основы вычислительной техники  и программирования: Учебник для  техникумов. – Л.: Энергоизад. Ленингр. отд-ние, 1981. – 256 с., ил.

6. Витенберг И.М. Быстродействующие аналоговые вычислительные машины. М., «Энрегия», 1970

7. Апокин И.А. Кибернетика и научно-технический прогресс: (история и перспективы). М.: Наука, 1982. 244 с.

8. Апокин И.А., Майстров Л.Е. Развитие вычислительных машин - М., «Наука», 1974