الحاسوب التناظري

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 24 صور
الموسوعة الحرة

صفحة من ملف معلومات قاذف القنابل (BIF) تصف مكونات وضوابط جهاز نوردن لتحديد أهداف القنابل ، وهو حاسوب تناظري بصري/ميكانيكي متطور للغاية استخدمته القوات الجوية للجيش الأمريكي خلال الحرب العالمية الثانية والحرب الكورية وحرب فيتنام لمساعدة طيار الطائرة القاذفة في إسقاط القنابل بدقة
حاسوب TR-10 المكتبي التناظري من أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات

الحاسوب التناظري هو نوع من أجهزة الحوسبة ( الحاسوب) يستخدم ظواهر فيزيائية، مثل الكميات الكهربائية أو الميكانيكية أو الهيدروليكية ، التي تتصرف وفقًا للمبادئ الرياضية المحددة ( الإشارات التناظرية )، لنمذجة المشكلة المراد حلها. في المقابل، تمثل الحواسيب الرقمية الكميات المتغيرة رمزيًا وبقيم منفصلة لكل من الزمن والسعة ( الإشارات الرقمية ).

تتفاوت الحواسيب التناظرية في درجة تعقيدها بشكل كبير. تُعدّ المسطرة الحاسبة والمخططات البيانية أبسطها، بينما كانت حواسيب التحكم في إطلاق النار البحرية والحواسيب الهجينة الرقمية/التناظرية الكبيرة من بين أكثرها تعقيدًا. [ 1 ] استخدمت آليات معقدة للتحكم في العمليات ومرحلات الحماية الحوسبة التناظرية لأداء وظائف التحكم والحماية. السمة المشتركة بينها جميعًا هي أنها لا تستخدم خوارزميات لتحديد طريقة عمل الحاسوب، بل تستخدم بنية مماثلة للنظام المراد حله (ما يُسمى بالنموذج التناظري أو التشبيه)، وهو ما يُشتق منه مصطلح "الحاسوب التناظري"، لأنها تُمثل نموذجًا.

استُخدمت الحواسيب التناظرية على نطاق واسع في التطبيقات العلمية والصناعية حتى بعد ظهور الحواسيب الرقمية، نظرًا لسرعتها الفائقة آنذاك، إلا أنها بدأت تفقد أهميتها في خمسينيات وستينيات القرن العشرين، مع أنها ظلت مستخدمة في بعض التطبيقات المحددة، مثل أجهزة محاكاة الطيران ، وحاسوب الطيران في الطائرات ، وتدريس أنظمة التحكم في الجامعات. ولعلّ أبرز مثال على الحواسيب التناظرية هي الساعات الميكانيكية ، حيث يُحرّك الدوران المستمر والدوري للتروس المتشابكة عقارب الثواني والدقائق والساعات. أما التطبيقات الأكثر تعقيدًا، مثل أجهزة محاكاة الطيران ورادار الفتحة التركيبية ، فقد ظلت حكرًا على الحوسبة التناظرية (والهجينة ) حتى ثمانينيات القرن العشرين، نظرًا لعدم كفاية الحواسيب الرقمية لأداء هذه المهام. [ 2 ]

الجدول الزمني لأجهزة الكمبيوتر التناظرية

مقدمات

هذه قائمة بأمثلة لأجهزة الحوسبة المبكرة التي تُعتبر أسلافًا لأجهزة الحاسوب الحديثة. وقد أطلقت الصحافة على بعضها اسم "أجهزة حاسوب"، رغم أنها قد لا تتوافق مع التعريفات الحديثة.

كانت آلية أنتيكيثيرا ، التي يعود تاريخها إلى ما بين 200 قبل الميلاد و80 قبل الميلاد، بمثابة حاسوب تناظري مبكر.

وُصفت آلية أنتيكيثيرا، وهي نوع من الأجهزة المستخدمة لتحديد مواقع الأجرام السماوية المعروفة باسم "أوريري"، بأنها حاسوب تناظري ميكانيكي مبكر من قِبل الفيزيائي البريطاني وعالم المعلومات ومؤرخ العلوم ديريك ج . دي سولا برايس . [ 3 ] اكتُشفت هذه الآلية عام 1901 في حطام سفينة أنتيكيثيرا قبالة جزيرة أنتيكيثيرا اليونانية ، بين كيثيرا وكريت ، ويُرجّح تاريخها إلى حوالي 150-100 قبل الميلاد ، خلال العصر الهلنستي . ولم تظهر أجهزة بمستوى تعقيد مماثل لآلية أنتيكيثيرا إلا بعد ألف عام.

صُممت العديد من الأدوات الميكانيكية المساعدة في الحساب والقياس لأغراض فلكية وملاحية. وصف بطليموس الكرة المستوية لأول مرة في القرن الثاني الميلادي. أما الأسطرلاب، فقد اختُرع في العالم الهلنستي في القرنين الأول أو الثاني قبل الميلاد، ويُنسب اختراعه غالبًا إلى هيبارخوس . وباعتباره مزيجًا من الكرة المستوية والديوبترا ، كان الأسطرلاب بمثابة حاسوب تناظري قادر على حل أنواع مختلفة من المسائل في علم الفلك الكروي .

تم تطوير القطاع ، وهو أداة حسابية تستخدم لحل المشكلات في التناسب وعلم المثلثات والضرب والقسمة، وللوظائف المختلفة، مثل التربيعات والجذور التكعيبية، في أواخر القرن السادس عشر ووجد تطبيقًا في المدفعية والمسح والملاحة .

كان جهاز قياس المساحة أداة يدوية لحساب مساحة شكل مغلق عن طريق تتبعه بوصلة ميكانيكية.

مسطرة حسابية . يتم ضبط المنزلق المركزي على 1.3، والمؤشر على 2.0 ويشير إلى نتيجة الضرب 2.6 عند قراءة المقياسين C و D.

اختُرعت المسطرة الحاسبة حوالي عامي 1620-1630، بعد فترة وجيزة من نشر مفهوم اللوغاريتم . وهي عبارة عن حاسوب تناظري يدوي يُستخدم لإجراء عمليات الضرب والقسمة. ومع تطور المسطرة الحاسبة، أُضيفت إليها مقاييس جديدة لحساب المقلوبات، والمربعات والجذور التربيعية، والمكعبات والجذور التكعيبية، بالإضافة إلى الدوال المتسامية مثل اللوغاريتمات والدوال الأسية، وعلم المثلثات الدائري والزائدي، وغيرها من الدوال . وقد أصبحت المسطرة الحاسبة قديمة الطراز إلى حد كبير بفضل الآلات الحاسبة الإلكترونية، على الرغم من استمرار وجود نماذج مصممة خصيصًا لهذا الغرض في بعض المجالات، ولا سيما حاسوب الطيران E6-B المستخدم في تدريب الطيارين.

في الفترة ما بين عامي 1831 و1835، ابتكر عالم الرياضيات والمهندس جيوفاني بلانا آلة تقويم دائم ، والتي، من خلال نظام من البكرات والأسطوانات، استطاعت التنبؤ بالتقويم الدائم لكل عام من عام  0 ميلادي (أي 1  قبل الميلاد) إلى عام  4000 ميلادي، مع مراعاة السنوات الكبيسة واختلاف طول النهار. [ 4 ]

كان جهاز التنبؤ بالمد والجزر الذي اخترعه السير ويليام طومسون عام 1872 ذا فائدة كبيرة للملاحة في المياه الضحلة. وقد استخدم نظامًا من البكرات والأسلاك لحساب مستويات المد والجزر المتوقعة تلقائيًا لفترة زمنية محددة في موقع معين.

استخدم المحلل التفاضلي ، وهو حاسوب تناظري ميكانيكي مصمم لحل المعادلات التفاضلية بالتكامل ، آليات العجلة والقرص لإجراء التكامل. في عام 1876، ناقش جيمس طومسون إمكانية بناء مثل هذه الآلات الحاسبة، لكنه واجه صعوبة بسبب عزم الدوران المحدود الناتج عن مُكاملات الكرة والقرص . تلت ذلك عدة أنظمة، أبرزها أنظمة المهندس الإسباني ليوناردو توريس كيفيدو ، الذي بنى آلات تناظرية متنوعة لحل الجذور الحقيقية والمركبة لكثيرات الحدود ؛ [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] وميكلسون وستراتون، اللذان قدّما محلل التوافقيات الذي أجرى تحليل فورييه، لكن باستخدام مصفوفة من 80 نابضًا بدلًا من مُكاملات كلفن. أدى هذا العمل إلى الفهم الرياضي لظاهرة جيبس ​​المتمثلة في تجاوز تمثيل فورييه بالقرب من نقاط الانقطاع. [ 8 ] في المحلل التفاضلي، يُشغّل خرج مُكامل واحد مدخل المُكامل التالي، أو خرج الرسم البياني. كان مضخم العزم هو التقدم الذي سمح لهذه الآلات بالعمل. ابتداءً من عشرينيات القرن الماضي، قام فانيفار بوش وآخرون بتطوير أجهزة تحليل تفاضلية ميكانيكية.

العصر الحديث

آلة حاسوب تناظرية في مختبر لويس لدفع الطيران حوالي عام 1949
حاسوب هيثكيت EC-1 التعليمي التناظري

كان جهاز دوماريسك آلة حسابية ميكانيكية اخترعها الملازم جون دوماريسك من البحرية الملكية حوالي عام 1902. وهو عبارة عن حاسوب تناظري يربط المتغيرات الحيوية لمشكلة التحكم في إطلاق النار بحركة السفينة وحركة السفينة المستهدفة. وكان يُستخدم غالبًا مع أجهزة أخرى، مثل ساعة فيكرز لقياس المدى، لتوليد بيانات المدى والانحراف، مما يسمح بضبط مناظير مدفع السفينة باستمرار. وقد تم إنتاج عدة نسخ من جهاز دوماريسك، اتسمت بتعقيد متزايد مع تقدم عملية التطوير.

بحلول عام 1912، كان آرثر بولين قد طور حاسوبًا تناظريًا ميكانيكيًا يعمل بالكهرباء لأنظمة التحكم في إطلاق النار ، استنادًا إلى المحلل التفاضلي. وقد استخدمته البحرية الإمبراطورية الروسية في الحرب العالمية الأولى . [ 9 ]

ابتداءً من عام 1929، تم بناء محللات شبكات التيار المتردد لحل مسائل حسابية متعلقة بأنظمة الطاقة الكهربائية، والتي كانت أكبر من أن تُحل بالطرق العددية في ذلك الوقت. [ 10 ] وكانت هذه المحللات في الأساس نماذج مصغرة للخصائص الكهربائية للنظام بالحجم الكامل. ونظرًا لقدرة محللات الشبكات على التعامل مع مسائل أكبر من أن تُحل بالطرق التحليلية أو الحساب اليدوي، فقد استُخدمت أيضًا لحل مسائل في الفيزياء النووية وفي تصميم المنشآت. وبحلول نهاية خمسينيات القرن العشرين، تم بناء أكثر من 50 محلل شبكات كبير.

استُخدمت الحواسيب التناظرية الميكانيكية في أجهزة توجيه المدافع ، وحواسيب بيانات المدافع ، وأجهزة تصويب القنابل خلال الحرب العالمية الثانية . وفي عام 1942، بنى هيلموت هولزر حاسوبًا تناظريًا إلكترونيًا بالكامل في مركز أبحاث الجيش في بينيمونده [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] كنظام تحكم مُدمج ( جهاز خلط ) لحساب مسارات صواريخ V-2 من التسارعات والاتجاهات (المقاسة بواسطة الجيروسكوبات ) ولتثبيت الصاروخ وتوجيهه. [ 14 ] [ 15 ] لعبت الحواسيب التناظرية الميكانيكية دورًا بالغ الأهمية في التحكم بنيران المدافع خلال الحرب العالمية الثانية، والحرب الكورية، وحتى بعد حرب فيتنام؛ وقد صُنعت بأعداد كبيرة.

في الفترة ما بين عامي 1930 و1945 في هولندا، طوّر يوهان فان فين حاسوبًا تناظريًا لحساب وتوقع تيارات المد والجزر عند تغيير هندسة القنوات. وفي حوالي عام 1950، تطورت هذه الفكرة إلى جهاز دلتار ، وهو حاسوب تناظري هيدروليكي يدعم إغلاق مصبات الأنهار في جنوب غرب هولندا ( مشروع دلتا ).

كان جهاز فيرمياك حاسوبًا تناظريًا اخترعه الفيزيائي إنريكو فيرمي عام 1947 للمساعدة في دراساته حول انتقال النيوترونات. [ 16 ] أما مشروع سايكلون، فكان حاسوبًا تناظريًا طوره ريفز عام 1950 لتحليل وتصميم الأنظمة الديناميكية. [ 17 ] بينما كان مشروع تايفون حاسوبًا تناظريًا طورته شركة آر سي إيه عام 1952. تألف من أكثر من 4000 أنبوب إلكتروني، واستخدم 100 قرص تحكم و6000 موصل قابل للتوصيل للبرمجة. [ 18 ] أما حاسوب مونياك، فكان محاكاة هيدروليكية للاقتصاد الوطني، وكُشف عنه لأول مرة عام 1949. [ 19 ]

انفصلت شركة Computer Engineering Associates عن معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) في عام 1950 لتقديم خدمات تجارية باستخدام "الحاسوب التناظري الكهربائي المباشر" ("أكبر وأكثر أجهزة التحليل العامة إثارة للإعجاب لحل المشكلات الميدانية") الذي طوره هناك جيلبرت دي. ماكان، وتشارلز إتش. ويلتس، وبارت لوكانثي . [ 20 ] [ 21 ]

جسّدت الحواسيب التناظرية التعليمية مبادئ الحساب التناظري. صُنعت حاسوب Heathkit EC-1، وهو حاسوب تناظري تعليمي بسعر 199 دولارًا أمريكيًا، من قِبل شركة Heath الأمريكية حوالي عام 1960. [ 22 ] تمت برمجته باستخدام أسلاك توصيل تربط تسعة مكبرات تشغيلية ومكونات أخرى. [ 23 ] كما سوّقت شركة جنرال إلكتريك في أوائل الستينيات مجموعة حاسوب تناظري "تعليمي" بتصميم بسيط، تتألف من مولدين للنغمات يعملان بالترانزستور وثلاثة مقاومات متغيرة موصولة بحيث يتم إلغاء تردد المذبذب عند ضبط أقراص المقاومة المتغيرة يدويًا لتحقيق معادلة. عندئذٍ، تكون المقاومة النسبية للمقاومة المتغيرة مساوية لصيغة المعادلة المراد حلها. ويمكن إجراء عمليات الضرب أو القسمة، اعتمادًا على الأقراص المستخدمة كمدخلات والأقراص المستخدمة كمخرجات. كانت الدقة والوضوح محدودين، وكان استخدام مسطرة حسابية بسيطة أكثر دقة. ومع ذلك، فقد أوضحت الوحدة المبدأ الأساسي.

نُشرت تصاميم الحواسيب التناظرية في مجلات الإلكترونيات. ومن الأمثلة على ذلك حاسوب PEAC (حاسوب إلكترونيات عملي تناظري)، الذي نُشر في مجلة إلكترونيات عملية في عدد يناير 1968. [ 24 ] كما نُشر تصميم حاسوب هجين أكثر حداثة في مجلة إلكترونيات عملية يومية عام 2002. [ 25 ] ومن الأمثلة التي وُصفت في حاسوب EPE الهجين، تحليق طائرة إقلاع وهبوط عمودي مثل طائرة هارير النفاثة . [ 25 ] حيث قام الجزء التناظري من الحاسوب بحساب ارتفاع وسرعة الطائرة، ثم أرسل البيانات إلى جهاز حاسوب شخصي عبر معالج دقيق رقمي، وعرضها على شاشة الحاسوب.

في مجال التحكم بالعمليات الصناعية ، استُخدمت وحدات التحكم التناظرية الحلقية لتنظيم درجة الحرارة والتدفق والضغط وغيرها من ظروف العملية تلقائيًا. وتراوحت تقنية هذه الوحدات من المكاملات الميكانيكية البحتة، مرورًا بأجهزة الصمامات المفرغة وأجهزة الحالة الصلبة، وصولًا إلى محاكاة وحدات التحكم التناظرية بواسطة المعالجات الدقيقة.

الحواسيب التناظرية الإلكترونية

الكمبيوتر التناظري البولندي AKAT-1 (1959)
نظام الحوسبة التناظرية EAI 8800 المستخدم لمحاكاة الأجهزة في الحلقة لجرار Claas (1986)

إن التشابه بين المكونات الميكانيكية الخطية، مثل النوابض والمخمدات ( مخمدات السوائل اللزجة) ، والمكونات الكهربائية، مثل المكثفات والمحاثات والمقاومات ، لافت للنظر من الناحية الرياضية. إذ يمكن نمذجتها باستخدام معادلات من نفس الشكل.

مع ذلك، يكمن الفرق بين هذه الأنظمة في ما يجعل الحوسبة التناظرية مفيدة. فالأنظمة المعقدة غالبًا ما تكون غير قابلة للتحليل باستخدام القلم والورق، وتتطلب شكلًا من أشكال الاختبار أو المحاكاة. أما الأنظمة الميكانيكية المعقدة، مثل أنظمة التعليق في سيارات السباق، فهي مكلفة التصنيع ويصعب تعديلها. كما أن أخذ قياسات ميكانيكية دقيقة أثناء اختبارات السرعة العالية يزيد من صعوبة الأمر.

على النقيض من ذلك، يُعدّ بناء نموذج كهربائي مُكافئ لنظام ميكانيكي مُعقّد، لمحاكاة سلوكه، أمرًا زهيد التكلفة. يقوم المهندسون بترتيب عدد قليل من مُضخّمات العمليات (op amps) وبعض المكونات الخطية السلبية لتشكيل دائرة كهربائية تتبع نفس معادلات النظام الميكانيكي المُحاكى. يُمكن إجراء جميع القياسات مُباشرةً باستخدام راسم الإشارة (oscilloscope ). في هذه الدائرة، يُمكن تغيير صلابة الزنبرك (المُحاكاة)، على سبيل المثال، عن طريق ضبط مُعاملات المُكامل. يُشابه النظام الكهربائي النظام الفيزيائي، ومن هنا جاءت التسمية، ولكنه أقل تكلفة بكثير من النموذج الميكانيكي الأولي، وأسهل بكثير في التعديل، وأكثر أمانًا بشكل عام.

يمكن أيضًا ضبط الدائرة الإلكترونية لتعمل بسرعة أكبر أو أبطأ من النظام الفيزيائي الذي تتم محاكاته. وأفاد مستخدمون ذوو خبرة في الحواسيب التناظرية الإلكترونية بأنها توفر تحكمًا وفهمًا أدق للمشكلة مقارنةً بالمحاكاة الرقمية.

OME P2، 1952، كمبيوتر تناظري إلكتروني فرنسي من شركة Société d'Electronique et d'Automatisme (SEA)

تُعدّ الحواسيب التناظرية الإلكترونية مناسبةً للغاية لتمثيل الحالات الموصوفة بالمعادلات التفاضلية. تاريخيًا، كانت تُستخدم غالبًا عندما يثبت صعوبة حلّ نظام المعادلات التفاضلية بالطرق التقليدية. على سبيل المثال، يمكن وصف ديناميكيات نظام الكتلة والنابض بالمعادلة التالية:مy¨+دy˙+جy=مز{\displaystyle m{\ddot {y}}+d{\dot {y}}+cy=mg}، معy{\displaystyle y}باعتباره الوضع الرأسي للكتلةم{\displaystyle m}،د{\displaystyle d}معامل التخميد ،ج{\displaystyle c}ثابت الزنبرك وز{\displaystyle g}جاذبية الأرض . بالنسبة للحوسبة التناظرية، تتم برمجة المعادلة على النحو التالي:y¨=-دمy˙-جمy-ز{\displaystyle {\ddot {y}}=-{\tfrac {d}{m}}{\dot {y}}-{\tfrac {c}{m}}yg}تتكون الدائرة التناظرية المكافئة من مُكاملَين لمتغيرات الحالة.-y˙{\displaystyle -{\dot {y}}}(السرعة) وy{\displaystyle y}(موضع)، عاكس واحد، وثلاثة مقاييس جهد.

تُعاني الحواسيب التناظرية الإلكترونية من بعض العيوب: فقيمة جهد التغذية للدائرة الكهربائية تُحدِّد نطاق تغير المتغيرات (إذ تُمثَّل قيمة المتغير بجهد على سلك معين). لذا، يجب تعديل مقياس كل مسألة بحيث يمكن تمثيل معاييرها وأبعادها باستخدام الجهود التي توفرها الدائرة - على سبيل المثال، القيم المتوقعة لسرعة وموضع بندول زنبركي . قد تُقيَّد قيم المتغيرات غير المُعدّلة بشكل صحيح بحدود جهد التغذية. أو إذا كانت مُعدّلة بشكل صغير جدًا، فقد تُعاني من مستويات ضوضاء أعلى . أيٌّ من هاتين المشكلتين قد يُؤدي إلى إنتاج الدائرة لمحاكاة غير صحيحة للنظام الفيزيائي. (تتميز المحاكاة الرقمية الحديثة بقدرة أكبر على التعامل مع القيم المتغيرة لمتغيراتها على نطاق واسع، ولكنها لا تزال غير محصنة تمامًا من هذه المشاكل: تدعم الحسابات الرقمية ذات الفاصلة العائمة نطاقًا ديناميكيًا هائلًا ، ولكنها قد تُعاني من عدم الدقة إذا أدت اختلافات طفيفة في القيم الكبيرة إلى عدم استقرار عددي ).

دائرة تناظرية لديناميكيات نظام الكتلة والنابض (بدون عوامل قياس)
الحركة المخمدة لنظام كتلة-نابض

كانت دقة قراءة الحاسوب التناظري محدودة بشكل رئيسي بدقة جهاز القراءة المستخدم، والتي تتراوح عادةً بين ثلاثة وأربعة أرقام معنوية. (تُعدّ المحاكاة الرقمية الحديثة أفضل بكثير في هذا المجال، إذ يمكن للحسابات الرقمية ذات الدقة العالية توفير أي درجة مطلوبة من الدقة). مع ذلك، في معظم الحالات، تكون دقة الحاسوب التناظري كافية تمامًا نظرًا لعدم اليقين في خصائص النموذج ومعاييره التقنية.

لا تزال العديد من الحواسيب الصغيرة المخصصة لعمليات حسابية محددة جزءًا من معدات التنظيم الصناعي، ولكن من خمسينيات إلى سبعينيات القرن الماضي، كانت الحواسيب التناظرية للأغراض العامة هي الأنظمة الوحيدة السريعة بما يكفي لمحاكاة الأنظمة الديناميكية في الوقت الحقيقي، لا سيما في مجالات الطيران والعسكرية والفضاء. وعلى الرغم من أن التقنية الأساسية للحواسيب التناظرية تعتمد عادةً على مضخمات العمليات (وتُسمى أيضًا "مضخمات التيار المستمر" لعدم وجود قيود على الترددات المنخفضة)، فقد جرت محاولة في ستينيات القرن الماضي، في حاسوب ANALAC الفرنسي، لاستخدام تقنية بديلة: حامل متوسط ​​التردد ودوائر عكسية غير مُبددة للطاقة.

في الولايات المتحدة خلال ستينيات القرن العشرين، كانت شركة Electronic Associates من ويست لونغ برانش، نيو جيرسي ، هي الشركة المصنعة الرئيسية، حيث قدمت جهاز الكمبيوتر التناظري 231R (صمامات مفرغة، 20 مُكاملًا) ولاحقًا جهاز الكمبيوتر التناظري EAI 8800 (مضخمات تشغيلية صلبة، 64 مُكاملًا). [ 26 ] وكان منافسها شركة Applied Dynamics من آن أربور، ميشيغان .

في سبعينيات القرن العشرين، كان لدى كل شركة كبيرة وإدارة معنية بمشاكل الديناميكا مركز حوسبة تناظرية، مثل:

بناء

تتكون آلة الحوسبة التناظرية من عدة مكونات رئيسية: [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

  • مصادر الإشارة: هذه عبارة عن كتل تولد إشارات تناظرية، مثل الجهد أو التيار، لتمثيل بيانات الإدخال والعمليات.
  • المضخمات : تُستخدم المضخمات لتقوية الإشارات التناظرية والحفاظ على سعتها في جميع أنحاء النظام. فهي تُضخّم إشارات الإدخال الضعيفة وتعوض عن فقدان الإشارة أثناء الإرسال.
  • المرشحات : تُستخدم المرشحات لتعديل طيف الإشارات عن طريق كبح أو تضخيم ترددات محددة. وهي تسمح بعزل أو كبح مكونات إشارة معينة حسب متطلبات الحساب.
  • أجهزة التعديل وأجهزة فك التعديل : تقوم أجهزة التعديل بتحويل المعلومات إلى إشارات تناظرية يمكن إرسالها عبر قناة اتصال، وتقوم أجهزة فك التعديل بالتحويل العكسي، واستعادة البيانات الأصلية من الإشارات المعدلة.
  • أجهزة الجمع والضرب وتحويل اللوغاريتمات وغيرها من مراحل الحساب: تُجري هذه الأجهزة عمليات حسابية على الإشارات التناظرية. ويمكن استخدامها في العمليات الرياضية مثل الجمع والضرب والأسس والتكامل والتفاضل.
  • التخزين والذاكرة : يمكن لأجهزة الحوسبة التناظرية استخدام أشكال مختلفة من تخزين المعلومات، مثل المكثفات أو المحاثات، لتخزين النتائج الوسيطة والذاكرة.
  • التغذية الراجعة والتحكم: تُستخدم وحدات التغذية الراجعة والتحكم للحفاظ على استقرار ودقة جهاز الحوسبة التناظرية. وقد تشمل أنظمة تنظيم وتصحيح الأخطاء.
  • لوحة التوصيل : تحتوي أجهزة الحوسبة التناظرية أيضًا على لوحة توصيل أو حقل توصيل. لوحة التوصيل هي هيكل مادي توضع عليه الموصلات أو نقاط التلامس لربط المكونات والوحدات المختلفة داخل النظام.

تتيح لوحة التوصيل إمكانية ضبط وتعديل مختلف الوصلات والمسارات لتهيئة الجهاز وتحديد تدفق الإشارات. وهذا يسمح للمستخدمين بتهيئة وإعادة تهيئة نظام الحوسبة التناظرية بمرونة لأداء مهام محددة.

تُستخدم لوحات التوصيل للتحكم في تدفق البيانات ، وتوصيل وفصل الاتصالات بين مختلف أجزاء النظام، بما في ذلك مصادر الإشارة، والمضخمات، والمرشحات، والمكونات الأخرى. وهي توفر سهولة ومرونة في تكوين وتجربة العمليات الحسابية التناظرية.

يمكن عرض لوحات التوصيل كلوحة مادية مزودة بموصلات، أو في الأنظمة الأكثر حداثة، كواجهة برمجية تسمح بالإدارة الافتراضية لوصلات الإشارات والمسارات.

  • واجهات الأجهزة : توفر الواجهات وسائل التفاعل مع الجهاز، على سبيل المثال، للتحكم في المعلمات أو نقل البيانات.
  • جهاز الإخراج : تم تصميم هذا الجهاز لعرض نتائج العمليات الحسابية التناظرية بشكل ملائم للمستخدم أو لنقل البيانات التي تم الحصول عليها إلى أنظمة أخرى.

تختلف أجهزة الإخراج في الآلات التناظرية تبعًا للأهداف المحددة للنظام. على سبيل المثال، قد تكون مؤشرات بيانية، أو راسمات إشارة ، أو أجهزة تسجيل بيانية، أو وحدة توصيل تلفزيوني ، أو مقياس فولت ، وما إلى ذلك. تتيح هذه الأجهزة عرض الإشارات التناظرية وتمثيل نتائج القياسات أو العمليات الحسابية.

هذه مجرد وحدات عامة يمكن العثور عليها في جهاز حاسوب تناظري نموذجي. قد يختلف التكوين والمكونات الفعلية تبعًا للتنفيذ المحدد والاستخدام المقصود للجهاز.

أنظمة هجينة تناظرية-رقمية

تتميز أجهزة الحوسبة التناظرية بالسرعة، بينما تتميز أجهزة الحوسبة الرقمية بتعدد استخداماتها ودقتها العالية. وتكمن فكرة الجهاز الهجين التناظري-الرقمي في دمج العمليتين لتحقيق أعلى كفاءة. ومن الأمثلة على هذه الأجهزة الهجينة المضاعف الهجين، حيث يكون أحد مدخلاته إشارة تناظرية، والآخر إشارة رقمية، بينما يكون المخرج تناظريًا. ويعمل هذا المضاعف كمقياس جهد تناظري قابل للتحديث رقميًا. ويُستخدم هذا النوع من التقنيات الهجينة بشكل أساسي في الحوسبة السريعة المخصصة في الوقت الحقيقي، حيث يكون وقت الحوسبة بالغ الأهمية، كما هو الحال في معالجة الإشارات لأجهزة الرادار، وعمومًا في وحدات التحكم في الأنظمة المدمجة .

في أوائل سبعينيات القرن العشرين، سعى مصنّعو الحواسيب التناظرية إلى دمج حواسيبهم التناظرية مع الحواسيب الرقمية للاستفادة من مزايا كلتا التقنيتين. في هذه الأنظمة، كان الحاسوب الرقمي يتحكم بالحاسوب التناظري، حيث يقوم بالإعداد الأولي، وبدء عمليات التشغيل التناظرية المتعددة، وتغذية البيانات وجمعها تلقائيًا. كما يمكن للحاسوب الرقمي المشاركة في عملية الحساب نفسها باستخدام محولات تناظرية-رقمية ورقمية -تناظرية .

كانت شركة Electronic Associates أكبر مصنّع للحواسيب الهجينة . يتكون حاسوبها الهجين طراز 8900 من حاسوب رقمي ووحدة تحكم تناظرية واحدة أو أكثر. خُصصت هذه الأنظمة بشكل رئيسي للمشاريع الضخمة مثل برنامج أبولو ومكوك الفضاء التابع لوكالة ناسا ، أو صاروخ أريان في أوروبا، لا سيما خلال مرحلة التكامل حيث تتم محاكاة كل شيء في البداية، ثم تحل المكونات الحقيقية تدريجيًا محل الأجزاء المحاكاة. [ 31 ]

كانت شركة واحدة فقط معروفة بتقديم خدمات الحوسبة التجارية العامة على أجهزة الكمبيوتر الهجينة الخاصة بها، وهي شركة CISI الفرنسية، في سبعينيات القرن الماضي.

أفضل مرجع في هذا المجال هو 100,000 عملية محاكاة لكل شهادة من شهادات أنظمة الهبوط الآلي لطائرات إيرباص وكونكورد . [ 32 ]

بعد عام 1980، شهدت الحواسيب الرقمية تطورًا متسارعًا، وأصبحت قادرة على منافسة الحواسيب التناظرية. كان أحد أسباب سرعة الحواسيب التناظرية هو قدرتها على الحساب المتوازي بالكامل، إلا أن هذه الميزة شكلت أيضًا قيدًا. فكلما زاد عدد المعادلات المطلوبة لحل مسألة ما، زادت الحاجة إلى المكونات التناظرية، حتى في المسائل غير الحرجة زمنيًا. كانت "برمجة" المسألة تعني ربط المكونات التناظرية ببعضها؛ وحتى مع وجود لوحة توصيل قابلة للإزالة، لم تكن هذه الطريقة عمليةً مرنةً للغاية.

التطبيقات

الحواسيب التناظرية الميكانيكية

آلة ويليام فيريل للتنبؤ بالمد والجزر في الفترة ما بين 1881 و1882

على مر التاريخ، تم اختراع العديد من أنواع الحواسيب التناظرية الميكانيكية. وتراوحت هذه الأنواع من الأجهزة البسيطة (مثل أجهزة قياس المساحة ) إلى أنظمة التحكم في إطلاق النار المعقدة التي وجهت مدافع البحرية في الحرب العالمية الثانية.

استخدمت الحواسيب التناظرية الميكانيكية العملية ذات التعقيد الملحوظ أعمدة دوارة لنقل المتغيرات من آلية إلى أخرى. استُخدمت الكابلات والبكرات في مُركِّب فورييه، وجهاز التنبؤ بالمد والجزر ، الذي كان يجمع المكونات التوافقية الفردية. أما النوع الآخر، الأقل شهرة، فقد استخدم أعمدة دوارة للإدخال والإخراج فقط، مع تروس دقيقة. كانت هذه التروس متصلة بوصلات تُجري العمليات الحسابية. كان أحد حواسيب التحكم في إطلاق النار بالسونار التابعة للبحرية الأمريكية في أواخر الخمسينيات، من صنع شركة ليبراسكوب ، من هذا النوع، وكذلك الحاسوب الرئيسي في نظام التحكم في إطلاق النار للمدفع Mk. 56. [ 33 ]

غالباً ما استخدمت هذه الحواسيب تروساً تفاضلية دقيقة من نوع "ميتر-جير" (أزواج من التروس المخروطية مُرتبة لإنتاج مجموع أو فرق دوران عمودين) لنقل المتغيرات بين عناصر الحوسبة. فعلى سبيل المثال، احتوى حاسوب التحكم في إطلاق النار من طراز "فورد إنسترومنت مارك 1" على ما يقارب 160 ترساً تفاضلياً من نوع "ميتر-جير". [ 34 ] [ 35 ]

تم إجراء التكامل بالنسبة لمتغير آخر بواسطة قرص دوار يُدار بواسطة أحد المتغيرات. وجاءت الإشارة من جهاز التقاط (مثل عجلة) موضوع على القرص بنصف قطر يتناسب مع المتغير الثاني. (كان استخدام حامل مزود بكرتين فولاذيتين مدعومتين ببكرات صغيرة فعالاً للغاية. حيث وفرت بكرة، محورها موازٍ لسطح القرص، الإشارة. وكانت مثبتة على الكرتين بواسطة نابض).

تم توفير وظائف عشوائية لمتغير واحد بواسطة الكامات، مع تروس لتحويل حركة التابع إلى دوران العمود.

تم توفير وظائف متغيرين بواسطة كاميرات ثلاثية الأبعاد. في أحد التصاميم الجيدة، كان أحد المتغيرين يُدير الكاميرا. يقوم تابع نصف كروي بتحريك حامله على محور ارتكاز موازٍ لمحور دوران الكاميرا. وكانت حركة الارتكاز هي الناتج. أما المتغير الثاني فيُحرك التابع على طول محور الكاميرا. ومن التطبيقات العملية لهذا النظام علم المقذوفات في الرماية.

تم تحويل الإحداثيات من القطبية إلى الديكارتية بواسطة محلل ميكانيكي (يُسمى "محلل المكونات" في حواسيب التحكم النيراني التابعة للبحرية الأمريكية). يدور قرصان على محور مشترك حول كتلة منزلقة مزودة بدبوس (عمود قصير). أحد القرصين عبارة عن كامة أمامية، ويحدد تابع على الكتلة في أخدود الكامة الأمامية نصف القطر. أما القرص الآخر، الأقرب إلى الدبوس، فيحتوي على فتحة مستقيمة تتحرك فيها الكتلة. تؤدي زاوية الإدخال إلى تدوير القرص الأخير (يدور قرص الكامة الأمامية، لنصف قطر ثابت، مع قرص الزاوية الآخر؛ ويتم هذا التصحيح بواسطة ترس تفاضلي وبعض التروس).

بالإشارة إلى هيكل الآلية، يتوافق موقع الدبوس مع رأس المتجه الذي تمثله مدخلات الزاوية والمقدار. وقد تم تركيب كتلة مربعة على هذا الدبوس.

كانت مخرجات الإحداثيات المستقيمة (الجيب وجيب التمام عادةً) تأتي من لوحين مشقوقين، يتناسب كل شق مع الكتلة المذكورة آنفًا. تتحرك الألواح في خطوط مستقيمة، وتكون حركة أحد اللوحين متعامدة مع حركة الآخر. وكانت الشقوق متعامدة مع اتجاه الحركة. كل لوح، على حدة، يشبه نيرًا اسكتلنديًا ، معروفًا لدى هواة محركات البخار.

خلال الحرب العالمية الثانية، تم استخدام آلية مماثلة لتحويل الإحداثيات المستقيمة إلى إحداثيات قطبية، لكنها لم تكن ناجحة بشكل خاص وتم التخلص منها في عملية إعادة تصميم كبيرة (البحرية الأمريكية، من Mk.  1 إلى Mk.  1A).

تمت عملية الضرب باستخدام آليات تعتمد على هندسة المثلثات القائمة المتشابهة. وباستخدام المصطلحات المثلثية للمثلث القائم، وتحديدًا الضلع المقابل والضلع المجاور والوتر، تم تحديد طول الضلع المجاور مسبقًا. أما طول الضلع المقابل، فكان يتغير بتغير متغير واحد. وفي كثير من الحالات، كان هذا المتغير يغير إشارته؛ فقد يتطابق الوتر مع الضلع المجاور (قيمة صفرية)، أو يتجاوزه، مما يمثل تغيرًا في الإشارة.

عادةً، يقوم مسنن يعمل بترس صغير ويتحرك بالتوازي مع الضلع المقابل (المحدد حسابيًا) بوضع منزلق بحيث يكون موضعه متطابقًا مع الوتر. يسمح محور على المسنن بتغيير زاوية المنزلق بحرية. عند الطرف الآخر للمنزلق (الزاوية، حسابيًا)، يحدد كتلة مثبتة على مسمار في الإطار رأس الزاوية بين الوتر والضلع المجاور.

عند أي مسافة على طول الضلع المجاور، يتقاطع خط عمودي عليه مع الوتر عند نقطة معينة. المسافة بين تلك النقطة والضلع المجاور هي كسر ما، وهو حاصل ضرب: 1- المسافة من الرأس، و2- طول الضلع المقابل.

في هذا النوع من المضاعفات، يحدد المتغير الثاني موضع صفيحة مشقوقة عمودية على الضلع المجاور. تحتوي هذه الفتحة على مكعب، ويُحدد موضع هذا المكعب داخلها بواسطة مكعب آخر مجاور له. ينزلق هذا المكعب الأخير على طول الوتر، وبالتالي يكون موضع المكعبين على مسافة من الضلع المجاور (المثلثي) تتناسب مع حاصل ضربهما.

لإنتاج المنتج كمخرج، يتحرك عنصر ثالث، وهو عبارة عن صفيحة مشقوقة أخرى، بالتوازي مع الضلع المقابل (المثلثي) للمثلث النظري. وكما هو معتاد، يكون الشق عموديًا على اتجاه الحركة. ويتم تثبيت كتلة داخل شقها، مثبتة على كتلة الوتر، في موضعها.

كان نوع خاص من أجهزة التكامل، يُستخدم عند الحاجة إلى دقة متوسطة فقط، يعتمد على كرة فولاذية بدلاً من قرص. وكان له مدخلان، أحدهما لتدوير الكرة، والآخر لتحديد زاوية محور دورانها. وكان هذا المحور يقع دائمًا في مستوى يحتوي على محاور بكرتي التقاط الحركة، وهو ما يشبه إلى حد كبير آلية فأرة الحاسوب ذات الكرة الدوارة (حيث كان قطر بكرتي الالتقاط مساويًا تقريبًا لقطر الكرة). وكانت محاور بكرتي الالتقاط متعامدة.

تم تركيب زوج من البكرات "أعلى" و"أسفل" مستوى الالتقاط في حوامل دوارة متصلة ببعضها بواسطة تروس. يتم تشغيل هذه التروس بواسطة زاوية الإدخال، مما يُحدد محور دوران الكرة. أما الإدخال الآخر فيُدير البكرة "السفلية" لتدوير الكرة.

باختصار، كانت الآلية بأكملها، والتي تُسمى مُكامل المكونات، عبارة عن محرك متغير السرعة مزود بمدخل حركة واحد ومخرجين، بالإضافة إلى مدخل زاوية. يُغير مدخل الزاوية نسبة (واتجاه) الاقتران بين مدخل "الحركة" والمخرجات وفقًا لجيب وجيب تمام زاوية الإدخال.

على الرغم من أنها لم تنجز أي عملية حسابية، إلا أن محركات تحديد المواقع الكهروميكانيكية (المعروفة أيضًا باسم مكبرات عزم الدوران) كانت ضرورية في أجهزة الكمبيوتر التناظرية الميكانيكية من نوع "العمود الدوار" لتوفير عزم الدوران التشغيلي لمدخلات آليات الحوسبة اللاحقة، بالإضافة إلى تشغيل أجهزة نقل بيانات الإخراج مثل أجهزة التزامن الكبيرة لنقل عزم الدوران في أجهزة الكمبيوتر البحرية.

تضمنت آليات القراءة الأخرى، التي لم تكن جزءًا مباشرًا من الحساب، عدادات داخلية تشبه عدادات المسافات مع أقراص أسطوانية متداخلة للإشارة إلى المتغيرات الداخلية، ومحددات ميكانيكية متعددة الدورات.

بالنظر إلى أن التحكم الدقيق في سرعة الدوران في أجهزة الكمبيوتر التناظرية للتحكم في إطلاق النار كان عنصرًا أساسيًا في دقتها، فقد كان هناك محرك يتم التحكم في متوسط ​​سرعته بواسطة عجلة توازن، ونابض شعري، وترس تفاضلي ذو محمل مرصع بالجواهر، وكامة مزدوجة الفصوص، وموصلات محملة بنابض (لم يكن تردد التيار المتردد للسفينة دقيقًا بالضرورة، ولا موثوقًا به بما فيه الكفاية، عندما تم تصميم هذه الحواسيب).

الحواسيب التناظرية الإلكترونية

لوحة التبديل الخاصة بجهاز الكمبيوتر التناظري EAI 8800 (منظر أمامي)

تحتوي الحواسيب التناظرية الإلكترونية عادةً على لوحات أمامية مزودة بمنافذ متعددة (مقابس أحادية التلامس) تسمح بتوصيل أسلاك مرنة (أسلاك مرنة ذات مقابس في كلا الطرفين) لإنشاء الوصلات التي تحدد إعداد المشكلة. بالإضافة إلى ذلك، توجد مقاييس جهد عالية الدقة (مقاومات متغيرة) لضبط عوامل القياس (وتغييرها عند الحاجة). كما يوجد عادةً مقياس تناظري ذو مؤشر مركزي لقياس الجهد بدقة متوسطة. وتوفر مصادر الجهد الثابتة والدقيقة قراءات معروفة.

تحتوي الحواسيب التناظرية الإلكترونية النموذجية على ما بين بضعة مكبرات تشغيلية إلى مئة أو أكثر ، سُميت بهذا الاسم لأنها تُجري عمليات حسابية. تُعد مكبرات التشغيلية نوعًا خاصًا من مكبرات التغذية الراجعة، تتميز بكسب عالٍ جدًا ودخل مستقر (إزاحة منخفضة ومستقرة). تُستخدم دائمًا مع مكونات تغذية راجعة دقيقة، تعمل على إلغاء التيارات القادمة من مكونات الإدخال تقريبًا أثناء التشغيل. غالبية مكبرات التشغيلية في أي نظام نموذجي هي مكبرات جمع، تقوم بجمع وطرح الفولتيات التناظرية، وتُخرج النتيجة عند مخارجها. كما تُضاف عادةً مكبرات تشغيلية ذات تغذية راجعة مكثفية؛ حيث تقوم بتكامل مجموع مدخلاتها بالنسبة للزمن.

يُعدّ التكامل بالنسبة لمتغير آخر حكرًا تقريبًا على أجهزة التكامل التناظرية الميكانيكية؛ إذ نادرًا ما يُستخدم في الحواسيب التناظرية الإلكترونية. مع ذلك، ونظرًا لأن حل المسألة لا يتغير بمرور الوقت، يُمكن اعتبار الزمن أحد المتغيرات.

وتشمل عناصر الحوسبة الأخرى المضاعفات التناظرية، ومولدات الوظائف غير الخطية، والمقارنات التناظرية.

كان لا بد من تصنيع العناصر الكهربائية، كالمحاثات والمكثفات، المستخدمة في الحواسيب التناظرية الكهربائية، بعناية فائقة للحد من التأثيرات غير المثالية. فعلى سبيل المثال، في تصميم محللات شبكات الطاقة المترددة ، كان أحد دوافع استخدام ترددات أعلى للحاسبة (بدلاً من تردد الطاقة الفعلي) هو سهولة تصنيع محاثات عالية الجودة. وقد تجنبت العديد من الحواسيب التناظرية متعددة الأغراض استخدام المحاثات تمامًا، وأعادت صياغة المشكلة في شكل يمكن حله باستخدام عناصر مقاومة وسعوية فقط، نظرًا لسهولة تصنيع المكثفات عالية الجودة نسبيًا.

يُتيح استخدام الخصائص الكهربائية في الحواسيب التناظرية إجراء العمليات الحسابية عادةً في الوقت الفعلي (أو أسرع)، بسرعة تُحدد في الغالب باستجابة التردد لمضخمات العمليات وعناصر الحوسبة الأخرى. وقد شهد تاريخ الحواسيب التناظرية الإلكترونية وجود أنواع خاصة عالية السرعة.

يمكن إنشاء الدوال والحسابات غير الخطية بدقة محدودة (ثلاثة أو أربعة أرقام) عن طريق تصميم مولدات الدوال - وهي دوائر خاصة تتكون من تركيبات مختلفة من المقاومات والثنائيات لتوفير اللاخطية. عادةً، مع زيادة جهد الدخل، يزداد عدد الثنائيات الموصلة تدريجيًا.

عند تعويض تأثير درجة الحرارة، يمكن أن يوفر انخفاض الجهد الأمامي لوصلة القاعدة-الباعث في الترانزستور دالة لوغاريتمية أو أسية دقيقة قابلة للاستخدام. تقوم مكبرات العمليات بتعديل جهد الخرج ليكون متوافقًا مع باقي مكونات الحاسوب.

يمكن تفسير أي عملية فيزيائية تحاكي عملية حسابية ما على أنها حاسوب تناظري. ومن الأمثلة التي تم ابتكارها لتوضيح مفهوم الحوسبة التناظرية: استخدام حزمة من المعكرونة كنموذج لفرز الأرقام ؛ ولوح خشبي ومجموعة من المسامير وشريط مطاطي كنموذج لإيجاد الغلاف المحدب لمجموعة من النقاط؛ وخيوط مربوطة معًا كنموذج لإيجاد أقصر مسار في شبكة. وقد وُصفت هذه الأمثلة جميعها في كتاب ديودني (1984).

عناصر

حاسوب نيومارك التناظري من عام 1960، يتكون من خمس وحدات. استُخدم هذا الحاسوب لحل المعادلات التفاضلية وهو موجود حاليًا في متحف كامبريدج للتكنولوجيا .

غالباً ما تمتلك الحواسيب التناظرية بنية معقدة، لكنها تحتوي في جوهرها على مجموعة من المكونات الرئيسية التي تُجري العمليات الحسابية. ويتحكم المشغل بهذه المكونات من خلال بنية الحاسوب.

قد تشمل المكونات الهيدروليكية الرئيسية الأنابيب والصمامات والحاويات.

قد تشمل المكونات الميكانيكية الرئيسية أعمدة دوارة لنقل البيانات داخل الكمبيوتر، وتروس تفاضلية مائلة ، ومكاملات قرصية/كروية/أسطوانية، وكامات (ثنائية وثلاثية الأبعاد)، ومحللات ومضاعفات ميكانيكية، ومحركات عزم الدوران.

قد تشمل المكونات الكهربائية/الإلكترونية الرئيسية ما يلي:

العمليات الحسابية الأساسية المستخدمة في الحاسوب التناظري الكهربائي هي:

في بعض تصميمات الحواسيب التناظرية، يُفضّل استخدام الضرب على القسمة. وتُجرى القسمة باستخدام مُضاعِف في مسار التغذية الراجعة لمُضخِّم العمليات.

لا يُستخدم التفاضل بالنسبة للزمن بكثرة، ويُتجنب عمليًا بإعادة تعريف المسألة كلما أمكن. وهو يُقابل في مجال التردد مرشح تمرير عالي، مما يعني تضخيم الضوضاء عالية التردد؛ كما أن التفاضل يُعرّض النظام لخطر عدم الاستقرار.

القيود

بشكل عام، تُعاني الحواسيب التناظرية من قيودٍ ناتجة عن تأثيراتٍ غير مثالية. تتكون الإشارة التناظرية من أربعة مكونات أساسية: شدة التيار المستمر والتيار المتردد، والتردد، والطور. وتُقيّد الحدود الفعلية لنطاق هذه الخصائص أداء الحواسيب التناظرية. تشمل بعض هذه القيود إزاحة مُضخّم العمليات، والكسب المحدود، واستجابة التردد، ومستوى الضوضاء ، واللاخطية ، ومعامل درجة الحرارة ، والتأثيرات الطفيلية داخل أشباه الموصلات. بالنسبة للمكونات الإلكترونية المتوفرة تجاريًا، تُعتبر نطاقات هذه الجوانب لإشارات الإدخال والإخراج دائمًا مؤشراتٍ للأداء .

انخفاض

في الفترة ما بين الخمسينيات والسبعينيات من القرن العشرين، أصبحت الحواسيب الرقمية، التي اعتمدت في البداية على الصمامات المفرغة والترانزستورات والدوائر المتكاملة، ثم المعالجات الدقيقة، أكثر اقتصادية ودقة. وقد أدى ذلك إلى استبدال الحواسيب التناظرية بها إلى حد كبير. ومع ذلك، لا تزال بعض الأبحاث جارية في مجال الحوسبة التناظرية. ولا تزال بعض الجامعات تستخدم الحواسيب التناظرية لتدريس نظرية أنظمة التحكم . وقد قامت شركة كومدينا الأمريكية بتصنيع حواسيب تناظرية صغيرة. [ 36 ] وفي جامعة إنديانا بلومنجتون، طور جوناثان ميلز الحاسوب التناظري الموسع القائم على أخذ عينات من الفولتية في صفيحة من الرغوة. [ 37 ] وفي مختبر الروبوتات بجامعة هارفارد، [ 38 ] تُعد الحوسبة التناظرية موضوعًا بحثيًا. وتستخدم دوائر تصحيح الأخطاء في شركة ليريك سيميكوندكتور إشارات تناظرية احتمالية. ولا تزال المسطرة الحاسبة تُستخدم كحواسيب طيران في التدريب على الطيران .

عودة الظهور

الحاسوب التناظري الحديث: الشيء التناظري

مع تطور تقنية التكامل واسع النطاق جدًا (VLSI)، أعاد فريق يانيس تسيفيديس في جامعة كولومبيا النظر في تصميم الحواسيب التناظرية/الهجينة باستخدام عملية CMOS القياسية. وقد طُوِّرت شريحتان من VLSI، الأولى حاسوب تناظري من الرتبة 80 (250  نانومتر) بواسطة غلين كوان [ 39 ] في عام 2005 [ 40 ] ، والثانية حاسوب هجين من الرتبة 4 (65  نانومتر) بواسطة نينغ غو في عام 2015 [ 41 ]، وكلاهما يستهدف تطبيقات المعادلات التفاضلية العادية/الجزئية الموفرة للطاقة. تحتوي شريحة غلين على 16 وحدة ماكرو، تضم 25 وحدة حسابية تناظرية، وهي: وحدات التكامل، ووحدات الضرب، ووحدات التفرع، وعدد قليل من الوحدات غير الخطية. أما شريحة نينغ، فتحتوي على وحدة ماكرو واحدة، تضم 26 وحدة حسابية، تشمل: وحدات التكامل، ووحدات الضرب، ووحدات التفرع، ومحولات تناظرية رقمية، وذاكرة وصول عشوائي ثابتة، ومحولات رقمية تناظرية. يُتيح توليد الدوال غير الخطية العشوائية سلسلة ADC+SRAM+DAC، حيث تخزن وحدة SRAM بيانات الدالة غير الخطية. وقد كشفت التجارب المنشورة في هذا المجال أن الحواسيب التناظرية/الهجينة بتقنية VLSI أظهرت تفوقًا يتراوح بين رتبة واحدة إلى رتبتين في كلٍ من زمن الحل واستهلاك الطاقة، مع تحقيق دقة تصل إلى 5%، مما يُشير إلى إمكانية استخدام تقنيات الحوسبة التناظرية/الهجينة في مجال الحوسبة التقريبية الموفرة للطاقة. وفي عام 2016، طوّر فريق من الباحثين مُترجمًا لحل المعادلات التفاضلية باستخدام الدوائر التناظرية. [ 42 ]

تُستخدم الحواسيب التناظرية أيضًا في الحوسبة العصبية الشكلية ، وفي عام 2021، أظهرت مجموعة من الباحثين أن نوعًا محددًا من الشبكات العصبية الاصطناعية يُسمى الشبكة العصبية النبضية كان قادرًا على العمل مع الحواسيب العصبية الشكلية التناظرية. [ 43 ]

في عام 2021، بدأت شركة أنابريد الألمانية المحدودة بإنتاج جهاز "ذا أنالوج ثينج " (المختصر "ذات")، وهو حاسوب تناظري صغير ومنخفض التكلفة مخصص بشكل أساسي للاستخدامات التعليمية والعلمية. [ 44 ] كما تقوم الشركة أيضًا بتصنيع الحواسيب المركزية التناظرية والحواسيب الهجينة .

أمثلة عملية

جهاز محاكاة X-15 (لاحظ أيضًا المسطرة الحاسبة على المكتب)

هذه أمثلة على أجهزة الكمبيوتر التناظرية التي تم بناؤها أو استخدامها عمليًا:

يمكن اعتبار أجهزة توليف الصوت التناظرية نوعًا من الحواسيب التناظرية، وقد استندت تقنيتها في الأصل جزئيًا إلى تقنية الحواسيب التناظرية الإلكترونية. وكان مُعدِّل الحلقة في جهاز ARP 2600 في الواقع مُضاعِفًا تناظريًا متوسط ​​الدقة.

كان مجلس المحاكاة (أو مجلس المحاكاة) رابطةً لمستخدمي الحواسيب التناظرية في الولايات المتحدة. ويُعرف الآن باسم الجمعية الدولية للنمذجة والمحاكاة. تتوفر نشرات مجلس المحاكاة من عام 1952 إلى عام 1963 على الإنترنت، وتُظهر الاهتمامات والتقنيات السائدة آنذاك، والاستخدام الشائع للحواسيب التناظرية في مجال الصواريخ. [ 45 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ غالاغر، شون (17 مارس 2014). "تروس الحرب: عندما سيطرت الحواسيب التناظرية الميكانيكية على البحار" . ARS Technica . مؤرشف من الأصل في 8 سبتمبر 2018. تم الاطلاع عليه في 14 يونيو 2017 .
  2. ↑ جونستون، شون ف. (2006). رؤى هولوغرافية: تاريخ العلوم الجديدة . مطبعة جامعة أكسفورد. ص 90. ISBN  978-0191513886.
  3. ↑ «مشروع بحث آلية أنتيكيثيرا» . 28 أبريل 2008. مؤرشف من الأصل في 28 أبريل 2008. تم الاطلاع عليه في 1 يوليو 2007 .
  4. ↑ أوليفيرا، أ. ج. "تقويم دائم مذهل، مخبأ في كنيسة إيطالية" . أطلس أوبسكورا . تم الاطلاع عليه في 7 سبتمبر 2020 .
  5. ^ توريس ، ليوناردو (10 أكتوبر 1895). "Memória sobre las Máquinas Algébricas" (PDF) . ريفيستا دي أوبراس بوبليكاس (بالإسبانية) (28): 217- 222.
  6. ^ ليوناردو توريس. الذاكرة حول الآلات الجبرية: مع معلومات من الأكاديمية الحقيقية للعلوم الدقيقة والفيزيائية والطبيعية ، Misericordia، 1895.
  7. ^ جوميز جوريجوي، فالنتين؛ جوتيريز جارسيا، أندريس؛ غونزاليس ريدوندو، فرانسيسكو أ؛ إجليسياس، ميغيل؛ مانشدو، كريستينا؛ أوتيرو ، سيزار (1 يونيو 2022). "آلة حاسبة توريس كيفيدو الميكانيكية لمعادلات الدرجة الثانية ذات المعاملات المعقدة" . الآلية ونظرية الآلة . 172 (8) 104830. IFToMM . دوى : 10.1016/j.mechmachtheory.2022.104830 . اتش دي ال : 10902/24391 . S2CID 247503677 . 
  8. ↑ راي جيرفان، "الجمال الكامن في الآلية: الحوسبة بعد باباج"، مؤرشف في 3 نوفمبر 2012، في آلة Wayback ، عالم الحوسبة العلمية ، مايو/يونيو 2003
  9. ↑ كلايمر، آرثر بن (1993). "الحواسيب التناظرية الميكانيكية لهانيبال فورد وويليام نيويل" (ملف PDF) . حوليات IEEE لتاريخ الحوسبة . 15 (2): 19-34 . Bibcode : 1993IAHC...15b..19C . doi : 10.1109/85.207741 . S2CID 6500043. تاريخ الاسترجاع: 11 فبراير 2023 . 
  10. ↑ توماس بارك هيوز، شبكات الطاقة: الكهرباء في المجتمع الغربي، 1880-1930، مطبعة جامعة جونز هوبكنز، 1993، رقم ISBN 0-8018-4614-5الصفحة 376
  11. ↑ تومايكو، جيمس إي. (1985). "الحاسوب التناظري الإلكتروني بالكامل لهيلموت هولزر". حوليات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات لتاريخ الحوسبة . 7 (3): 227-240 . رمز Bibcode : 1985IAHC....7c.227T . doi : 10.1109/MAHC.1985.10025 .
  12. ↑ نيوفيلد، مايكل ج. (2013). الصاروخ والرايخ: بينيمونده ومجيء عصر الصواريخ الباليستية . مؤسسة سميثسونيان. ص 138. ISBN  9781588344663.
  13. ↑ أولمان، بيرند (22 يوليو 2013). الحوسبة التناظرية . والتر دي جرويتر. ص 38. ISBN  9783486755183.
  14. ↑ نيوفيلد (2013) ، ص 106.
  15. ↑ تومايكو، جيمس إي. (1 يوليو 1985). "هيلموت هولزر". حوليات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات لتاريخ الحوسبة . 7 (3): 227-240 . رمز Bibcode : 1985IAHC....7c.227T . doi : 10.1109/MAHC.1985.10025 . S2CID 15986944 . 
  16. ↑ متروبوليس، ن. "بداية طريقة مونت كارلو". مجلة لوس ألاموس للعلوم، العدد 15، ص 125
  17. ↑ سمول، جيه إس "البديل التناظري: الحاسوب الإلكتروني التناظري في بريطانيا والولايات المتحدة الأمريكية، 1930-1975" دار النشر النفسية، 2001، ص 90
  18. ↑ سمول، جيه إس "البديل التناظري: الحاسوب الإلكتروني التناظري في بريطانيا والولايات المتحدة الأمريكية، 1930-1975" دار النشر النفسية، 2001، ص 93
  19. ↑ بيسيل، سي. (1 فبراير 2007). "وجهات نظر تاريخية - مونياك: حاسوب تناظري هيدروميكانيكي من خمسينيات القرن العشرين" ( ملف PDF) . مجلة أنظمة التحكم IEEE . 27 (1): 69-74 . doi : 10.1109/MCS.2007.284511 . ISSN 1066-033X . S2CID 37510407. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 9 أكتوبر 2022.  
  20. ↑ "التاريخ - الحسابات" . me100.caltech.edu .
  21. ↑ كاربلوس، والتر ج. (1958). "المحاكاة التناظرية: حل مشاكل المجال" . ماكجرو هيل – عبر كتب جوجل.
  22. ↑ بيترسن، جولي ك. (2003). قاموس مصور للألياف البصرية . مطبعة سي آر سي. ص 441. ISBN  978-0-8493-1349-3.
  23. ↑ "حاسوب هيثكيت EC-1 التعليمي التناظري" . متحف تاريخ الحاسوب. مؤرشف من الأصل بتاريخ 20 مايو 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 مايو 2010 .
  24. ↑الإلكترونيات العملية، يناير 1968
  25. 1 2 حاسوب EPE الهجين - الجزء 1 (نوفمبر 2002)، الجزء 2 (ديسمبر 2002)، الإلكترونيات العملية اليومية
  26. ↑ "وصف النظام EAI 8800 للحوسبة العلمية" (ملف PDF) . 1 مايو 1965. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 9 أكتوبر 2022. تم الاطلاع عليه في 17 سبتمبر 2019 .
  27. ↑ (1) Truitt, TD, and AE Rogers. Basics of Analog Computers (New York: John F. Rider, Inc., 1960).
  28. ↑ (2) جونسون، سي إل تقنيات الحاسوب التناظري (نيويورك: شركة ماكجرو هيل للنشر، 1956).
  29. ↑ (3) Howe, RM Design Fundamentals of Analog Computer Components (Princeton, NJ: D. Van Nostrand Co., Inc., 1960).
  30. ↑ الاتصال (4) آشلي، جيه آر مقدمة في الحوسبة التناظرية (نيويورك: جون وايلي وأولاده، 1963).
  31. ↑ سمول، جيمس س. (2001). البديل التناظري. الحاسوب الإلكتروني التناظري في بريطانيا والولايات المتحدة الأمريكية، 1930-1975 . لندن: روتليدج. ص 119-178 . 
  32. ↑ هافرانيك، بيل (1 أغسطس 1966). "دور الحاسوب الهجين في محاكاة النقل الأسرع من الصوت". المحاكاة . 7 (2): 91-99 . doi : 10.1177/003754976600700213 . S2CID 208871610 . 
  33. ↑ كلايمر، أ. بن. "الحواسيب التناظرية الميكانيكية لهانيبال فورد وويليام نيويل" (ملف PDF) . حوليات IEEE لتاريخ الحوسبة . 15 (2): 28.
  34. ↑ "آليات مكافحة الحرائق الأساسية" . marine.org .
  35. ↑ سفوبودا، أنتونين (1948). آليات الحوسبة والروابط . منشورات دوفر. ص 110-115 . 
  36. ↑ "الحواسيب التناظرية" . كومدينا . مؤرشف من الأصل في 1 ديسمبر 2017. تم الاسترجاع في 6 أكتوبر 2008 .
  37. ↑ "آلات كيرشوف-لوكاسيفيتش" .
  38. ↑ "مختبر الروبوتات بجامعة هارفارد" .
  39. ↑ "غلين كوان" . Concordia.ca . تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 فبراير 2016 .
  40. ↑ كوان، جي إي آر؛ ميلفيل، آر سي؛ تسيفيديس، واي. (1 فبراير 2005). "معالج تناظري/معالج رياضي مساعد للحاسوب الرقمي بتقنية VLSI". ISSCC. ملخص الأوراق التقنية الدولي لعام 2005، IEEE. مؤتمر الدوائر المتكاملة، 2005. المجلد 1. الصفحات 82-586 . doi : 10.1109/ISSCC.2005.1493879 . ISBN   978-0-7803-8904-5. S2CID 38664036 . 
  41. ^ قوه نينغ. هوانغ، ييبنغ؛ ماي، تاو؛ باتيل، س.؛ تساو، تشي؛ سيوك، مينجو؛ سيثومادهافان، س. تسيفيديس، ي. (1 سبتمبر 2015). “الحساب الهجين في الوقت المستمر مع اللاخطية القابلة للبرمجة”. مؤتمر ESSCIRC 2015 - المؤتمر الأوروبي الحادي والأربعون لدوائر الحالة الصلبة (ESSCIRC) . ص 279 – 282. دوى : 10.1109/ESSCIRC.2015.7313881 . رقم ISBN  978-1-4673-7470-5. S2CID 16523767 . 
  42. ↑ "عودة الحوسبة التناظرية" . 20 يونيو 2016.
  43. ^ بنيامين كريمر. سيباستيان بيلوديل؛ سمعان كانيا؛ آرون ليبفريد؛ أندرياس جروبل؛ فيتالي كاراسينكو؛ كريستيان بيهل؛ كوربينيان شرايبر؛ يانيك سترادمان؛ يوهانس فايس؛ يوهانس شيميل؛ عرض ملف تعريف ORCID فريدمان زينكي (25 يناير 2022). “التدرجات البديلة للحوسبة العصبية التناظرية” . بناس . 119 (4) هـ2109194119. بيب كود : 2022PNAS..11909194C . دوى : 10.1073/pnas.2109194119 . بمك 8794842 . بميد 35042792 .  
  44. ↑ "الشيء التناظري: النشرة الإخبارية رقم 1" . the-analog-thing.org .
  45. ↑ "نشرة مجلس المحاكاة" . مؤرشفة من الأصل في 28 مايو 2013.

مراجع

  • أ. ك. ديودني. "حول حاسوب السباغيتي وغيره من الأدوات التناظرية لحل المشكلات"، مجلة ساينتفك أمريكان ، 250(6): 19-26، يونيو 1984. أعيد طبعه في كتاب "عالم الكرسي الوثير" لأ. ك. ديودني، الذي نشرته دار دبليو إتش فريمان وشركاه (1988)، رقم ISBN 0-7167-1939-8.
  • متحف جامعة فان أمستردام للكمبيوتر. (2007). أجهزة الكمبيوتر التناظرية .
  • جاكسون، ألبرت س.، "الحوسبة التناظرية". لندن ونيويورك: ماكجرو هيل، 1960. OCLC 230146450