Los sistemas analógicos se utilizaron en la década de 1970 para el control de procesos y la resolución de problemas complejos (cálculo, integral y diferenciación). Quedaron obsoletos cuando se inventaron las computadoras digitales. Pero los ingenieros ahora insisten en traerlos de regreso.
Las computadoras analógicas son dispositivos físicos que funcionan con datos continuos. Se utilizaron principalmente en la década de 1970 para realizar cálculos complejos y procesar datos analógicos. Contienen unidades funcionales como comparadores, multiplicadores y generadores de funciones, que los ingenieros utilizan para ingresar datos como presión, temperatura, voltaje y velocidad.
Las computadoras analógicas pueden realizar acciones sobre números reales usando lógica no determinista. Como resultado, realizar funciones complejas y continuas en sistemas analógicos es mucho más fácil que en sistemas digitales. Sin embargo, también aceptan errores más fácilmente que las computadoras digitales.
Computadoras analógicas desmitificadas
Una computadora analógica es un tipo de dispositivo informático que opera con datos continuos, a diferencia de su contraparte digital, que procesa información en pasos discretos. Estas computadoras aprovechan fenómenos físicos como el voltaje eléctrico, el movimiento mecánico o la presión hidráulica para modelar y resolver problemas directamente, reflejando la naturaleza continua de los datos que manipulan.
A diferencia de las computadoras digitales que calculan mediante operaciones binarias (0 y 1), las computadoras analógicas realizan cálculos manipulando variables continuas. Esto les permite simular sistemas complejos en tiempo real, una capacidad invaluable en áreas como la aeronáutica para simulaciones de vuelos, la meteorología para el pronóstico del tiempo y la ingeniería automotriz para analizar sistemas dinámicos.
Por ejemplo, antes de la aparición de potentes computadoras digitales, los pilotos se entrenaban utilizando simuladores de vuelo analógicos basados en computadoras. Estos simuladores podrían imitar el comportamiento de las aeronaves en una variedad de condiciones ajustando los controles físicos y observando las salidas analógicas, proporcionando una herramienta de entrenamiento altamente realista y eficaz que respondía en tiempo real a las entradas del piloto.
La computadora analógica versus la computadora digital
La distinción entre computadoras analógicas y digitales radica no sólo en sus mecanismos operativos, sino también en su aplicación, eficiencia y precisión en diversas tareas computacionales. Para dilucidar estas diferencias, considere el siguiente análisis comparativo:
| Recurso | Computadora analógica | computadora digital |
|---|---|---|
| Representación de datos | Variables continuas (por ejemplo, niveles de voltaje) | Valores discretos (dígitos binarios) |
| Precisión | Sujeto a imprecisiones menores debido a la naturaleza de los componentes físicos y factores ambientales. | Alta precisión con valores numéricos exactos |
| Velocidad | Puede procesar simulaciones complejas en tiempo real gracias al flujo continuo de datos. | Puede haber retrasos en el procesamiento de simulaciones complejas debido al procesamiento secuencial de datos. |
| Complejidad de la operación | Ideal para simular sistemas dinámicos complejos (por ejemplo, sistemas meteorológicos, simulaciones de aeronaves) | Ideal para tareas que requieren cálculos precisos y manipulación de datos (por ejemplo, análisis financiero, gestión de bases de datos) |
| Manejo de errores | Más tolerante con los errores; pequeñas variaciones en la entrada no afectan drásticamente el resultado | Los errores deben gestionarse y corregirse rigurosamente; Las operaciones binarias dependen de valores absolutos. |
| Casos de uso | Aeronáutica, simulación de procesos químicos, procesamiento de señales analógicas. | Procesamiento de datos, aplicaciones ofimáticas, creación de contenidos digitales. |
Un ejemplo ilustrativo que resalta las diferencias prácticas se puede encontrar en el procesamiento de señales. Una computadora analógica procesa señales de audio directamente, manipulando las propiedades físicas de la señal para producir una salida. Por el contrario, una computadora digital primero debe convertir la señal a un formato digital mediante muestreo, procesarla y luego convertirla nuevamente a una señal analógica para su reproducción. Aunque es más preciso, este proceso introduce un retraso y requiere pasos adicionales en comparación con la manipulación directa posible con los sistemas analógicos.
Además, existe un interés renaciente en la computación analógica, particularmente para aplicaciones especializadas como el modelado de redes neuronales y el procesamiento de señales, lo que destaca sus ventajas únicas. Por ejemplo, al procesar grandes conjuntos de datos para el reconocimiento de imágenes, las computadoras analógicas pueden realizar operaciones de manera más rápida y eficiente que los sistemas digitales, ya que no requieren traducir datos a código binario para su procesamiento. Esto hace que las computadoras analógicas sean especialmente adecuadas para tareas donde la velocidad y la capacidad de manejar conjuntos de datos grandes y complejos en tiempo real son fundamentales, aunque a expensas de la alta precisión y versatilidad que ofrecen los sistemas digitales.
Mientras que las computadoras digitales forman la columna vertebral de la informática moderna y manejan todo, desde aplicaciones cotidianas hasta análisis de datos complejos con una precisión y versatilidad inigualables, las computadoras analógicas ofrecen ventajas únicas para la simulación en tiempo real y el procesamiento continuo de datos. La elección entre analógico y digital depende en última instancia de los requisitos específicos de la tarea, y cada sistema ofrece distintos beneficios adaptados a las diferentes necesidades informáticas.
¿Por qué el sistema analógico quedó obsoleto?
Debido a que estas computadoras tenían palancas mecánicas, los ingenieros tuvieron que alterar físicamente el circuito (cambiando pedales, amplificadores operacionales y multiplicadores) para realizar diferentes operaciones. También tenían entradas propensas a errores, como el voltaje y la frecuencia del pulso, que se veían afectadas por el ruido de fondo. Además, las propias entradas eran ruidosas, lo que amplificaba aún más el error en el sistema.
Ninguna de estas cosas es un problema para las computadoras digitales, lo que explica por qué los sistemas analógicos quedaron obsoletos cuando los dispositivos digitales comenzaron a despegar. ¿Quién querría un sistema propenso a errores cuando podría utilizar un sistema mucho más eficiente y preciso?
¿Por qué regresan?
Aunque los sistemas analógicos fueron reemplazados por computadoras digitales que usaban dispositivos de entrada simples como ratones y teclados, parecen estar regresando. La verdadera razón de esto es que debido a que las computadoras hoy en día usan y generan grandes cantidades de datos, el uso de computadoras digitales con arquitectura Von Neuman causa cuellos de botella en la memoria.
Esto se debe a que el sistema necesita convertir los datos entrantes a binario antes de que la placa base pueda procesarlos. La interfaz de memoria y procesador es donde se produce el cuello de botella.
Mientras tanto, las computadoras analógicas procesan datos en la memoria, lo que significa que pueden procesar datos directamente sin convertirlos en ceros y unos o cualquier otra forma de lenguaje de máquina. En lugar de utilizar transistores, los sistemas analógicos dependen de resistencias para realizar cálculos. Una vez realizados los cálculos, el resultado final se puede convertir a formato digital.
Esto reduce significativamente la cantidad de conversiones de analógico a digital (ADC) necesarias para un proceso, lo que genera resultados más rápidos y un mejor rendimiento. Además, las configuraciones analógicas no necesitan realizar todos los cálculos en un ciclo. En cambio, pueden hacer varios cálculos parciales, que luego pueden usarse para crear el resultado final. Esto mejora aún más la eficiencia del sistema.
Los dispositivos analógicos suelen tener un tiempo medio entre fallos (MTBF) elevado. Por ejemplo, este dispositivo analógico tiene un MTBF de 30.000 horas, lo que significa que puede funcionar durante 300.000 horas antes de sufrir una falla catastrófica. Para operaciones específicas, los sistemas analógicos son más rápidos que los sistemas digitales. Por lo tanto, son útiles para procesar grandes conjuntos de datos de formas de onda, como datos de pulsos nucleares o eventos de supercolisión. Las computadoras digitales no pueden manejar tal carga de trabajo.
Hoy en día, los ingenieros suelen utilizar circuitos integrados para programar barras transversales de sistemas analógicos. Al reorganizar la barra transversal, los sistemas analógicos pueden realizar múltiples operaciones, a diferencia de los sistemas más antiguos que solo podían realizar un número limitado de funciones. Los sistemas más nuevos tampoco requieren corrección manual y pueden realizar cálculos científicos y diferenciales avanzados.
Computación analógica: casos de uso en la industria
Hoy en día, muchas empresas utilizan redes neuronales y algoritmos de aprendizaje profundo para extraer información de sus datos. Al principio, las empresas utilizaban GPU en lugar de CPU tradicionales para el modelado y la estandarización de datos.
Pero entrenar modelos en GPU lleva mucho tiempo. La última optimización de hardware para el procesamiento de redes neuronales es la TPU (Unidad de Procesamiento Tensor), un circuito integrado desarrollado específicamente para entrenar redes neuronales.
Pero incluso después de implementar las TPU, el modelado final es muy lento. Debido a esto, algunas empresas están buscando computadoras analógicas para modelar redes neuronales. Son más rápidos y más orientados al rendimiento que los TPU para determinadas tareas. Aunque tienen algunos problemas (la programación de sistemas analógicos es difícil y son más propensos a errores de ruido), son muy eficientes para manejar grandes conjuntos de datos, como el reconocimiento de imágenes y el procesamiento de voz.
Para procesos deterministas como las redes neuronales que pueden funcionar con una precisión modesta, los sistemas analógicos son una gran opción.
La mayoría de los sensores que se utilizan hoy en día son analógicos, por lo que necesitan un sistema analógico para procesar sus datos. También utilizan memristores, que recuerdan el valor el tiempo suficiente para ser continuo. Además, sólo utilizan el convertidor ADC para mostrar el resultado final. Las empresas pueden utilizar estos dispositivos para crear dispositivos/robots/máquinas autónomas que puedan realizar tareas de bajo nivel de forma continua sin supervisión humana.
Aunque se necesitan supercomputadoras para realizar cálculos largos y complejos, consumen mucha energía eléctrica. Por ejemplo, Tianhe-1A , una supercomputadora con una potencia de cálculo de 2,5 petaflops, requiere 4,04 MW de potencia. Se trata de una cantidad enorme de electricidad porque, en promedio, 1 megavatio de electricidad puede alimentar 800 hogares durante un año.
Esto significa que, aunque las supercomputadoras pueden realizar cálculos complejos a altas velocidades, el equilibrio tiempo-energía es demasiado alto para que sean útiles.
Las computadoras analógicas funcionan según el mismo principio operativo que la mente humana. Toman datos de otros chips analógicos y los utilizan para realizar sus cálculos, en lugar de acceder a ellos desde la memoria. Además, en lugar de un multiplicador de 32 bits, los sistemas analógicos utilizan multiplicadores analógicos de 1 bit para realizar la misma operación. Esto permite que el sistema aumente su eficiencia al tiempo que disminuye la disipación de energía.
Incluso si necesita realizar cambios de circuito manualmente para cambiar una función, puede escalar fácilmente este sistema en términos de rendimiento y potencia (ya que los componentes de computación paralela también escalan). Cualquier problema con las operaciones paralelas funcionará mejor en un entorno informático analógico. Los sistemas analógicos podrían ser la respuesta a los problemas de energía de las supercomputadoras.
El futuro
Hoy en día, muchas empresas están trabajando en sistemas híbridos, es decir, computadoras digitales con un relé analógico incorporado. Estos sistemas pueden procesar datos tanto continuos como discretos. En lugar de utilizar elementos de programación como bucles y algoritmos, utilizan interconexiones para crear la analogía eléctrica necesaria.
Estos sistemas son rápidos, confiables y eficientes. Sin embargo, aunque actualmente se utilizan muchos sistemas híbridos con fines especializados (procesadores de combustible, monitores cardíacos), todavía no se han explorado plenamente. Y hay una gran razón para ello.
Reintroducir la informática analógica hoy en día es un enorme desafío arquitectónico y financiero. Muchas empresas no están preparadas para invertir en modernizar su infraestructura actual a tan gran escala. También tendrían que invertir en formación y certificación, ya que los sistemas analógicos llevan demasiado tiempo fuera del mercado.
Aunque existe una enorme demanda y mercado para la informática analógica, llevaría tiempo desarrollar soluciones. El cambio de lo digital a lo híbrido ya ha comenzado. Es probable que pronto se produzca una transición en el proceso de pensamiento. Al fin y al cabo, el mundo es analógico y no digital .
Fuente: BairesDev
