什么是模拟计算？

您不需要 0 和 1 来执行计算，在一些案例中最好避免使用它们。

EXPLAINERS

1952 年一家被法国公司发布的 OME P2 是一个电子模拟计算机的例子。它的名字是电子数学运算器（Opérateur Mathématique Électronique）的缩写。Damien Boureille

Contributing Writer  Max G. Levy

Executive Editor  Michael Moyer

August 2, 2024

今天的计算几乎完全的是数字的。互联网的庞大的信息地下墓穴、为人工智能提供动力的算法、你正在阅读这篇文章的屏幕——所有这些都被操纵二进制数字的电子电路提供动力——0 和 1，开和关。一直在说我们生活在数字时代。

但为什么一个使用分立的信息块操作的系统将擅长模拟我们的连续的模拟世界不是明显的。真的，几千年来人类已经用模拟计算装置来理解和预测自然的漩涡和流动。

在已知最早的模拟计算机中是来自古希腊的安提凯希拉机械装置，它用数十个齿轮来预测日食并计算太阳和月亮的位置。计算尺被发明于17世纪，执行会有朝一日将人类送上月球的数学运算。（然而算盘不算作模拟：它的分立的“计数器”使它成为最早的数字计算机之一）。在19世纪后期，后来变成开尔文勋爵（Lord Kelvin）的威廉·汤姆森（William Thomson）设计了一种用轴、曲柄和滑轮来模拟天体对潮汐的影响的机器。几十年后它的继任者被用来计划在诺曼底登陆日登陆。

这些装置有什么共同呢？它们都是建立来服从您要理解的现象背后的相同数学方程式的物理系统。例如，汤姆森的潮汐计算计算机被19世纪的将预测潮汐的问题变成一个复杂的三角函数表达式的数学进步灵感。手动计算该表达式是既费力又容易出错的。汤姆森机器中的曲柄和滑轮被构造以便通过旋转它们使用者将获得一个与需要被求解的表达式的结果是同一的输出。

从左至右：安提凯希拉机械的一部分，可能可以追溯回到公元前二世纪。一个14 世纪的可以预测太阳、月亮和当时已知的五颗行星的位置的叫唐迪的手表（Giovanni Dondi dall'Orologio ）的星象仪（Astrarium）的天文钟的重建。威廉·汤姆森（William Thomson，后来的开尔文勋爵）在19世纪后期设计了这台潮汐预测计算机。

From left: Hellenic National Archaeological Museum/ Hellenic Ministry of Culture; Museo della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci”; British Association for the Advancement of Science (per Lord Kelvin)

.    在差分分析仪中模拟计算达到了它的顶峰，该分析仪于 1931年被麻省理工学院的范捏瓦尔布什（Vannevar Bush）首次建造。该分析仪使用了一系列被电动机驱动的复杂齿轮和轴。它可以计算宏大种类的微分方程——用于模拟物理现象的方程的那种。但为修改一个方程式，机器结构不得不费力的被手动重新配置。

当现代数字计算在1930年代后期开始时它是笨重的、昂贵的和劣质的。但数字计算有益处。数字计算机比模拟计算机更容易编程，而且往往比模拟机器更准确。随着晶体管的兴起以及由摩尔定律推动的后续进步，数字处理很快接管了。

但随我们的数字世界已经爆炸，它的成本也的。一个数字比特的每次开关都要用一点点能量。新的人工智能系统需要宏大量的计算能力。仅举一个例子，新闻报道已经揭示微软和OpenAI正在计划建造一个值1000亿美元的会吸吮5吉瓦功率的数据中心。这大约是5台核反应堆的输出。

在范捏瓦尔布什完成了他的差分分析仪后，这个想法扩散了。这个是1938年在剑桥大学建造的。University of Cambridge

模拟计算提供一种替代方案。为人工智能系统提供动力的神经网络通过反复的炸出一系列乘法和加法运算做出预测。

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在一个用电信号而不是齿轮和滑轮的模拟计算机中，一个电流可以通过一个用精心选择的来模拟这些运算的电阻电路，在一个显着的节省功率上。

数字计算的优点是真实的，但缺点也是真实的。也许通过回去到达计算的过去，研究人员将能够朝向我们的计算未来转向一条可持续的道路。

更正：2024 年 8 月 2 日：耗资 1000 亿美元的数据中心将需要 5 吉瓦的电力，而不是 5 兆瓦。

https://www.quantamagazine.org/what-is-analog-computing-20240802/