Computadores analógicos versus digitais: por que o analógico pode ser o futuro da computação

Computadores analógicos são dispositivos físicos que funcionam com dados contínuos. Eles foram usados ​​principalmente na década de 1970 para realizar cálculos complexos e processar dados analógicos. Eles contêm unidades funcionais como comparadores, multiplicadores e geradores de funções, que os engenheiros usam para inserir dados como pressão, temperatura, tensão e velocidade.

Os computadores analógicos podem realizar ações em números reais usando lógica não determinística. Como resultado, a execução de funções complexas e contínuas em sistemas analógicos é muito mais fácil do que em sistemas digitais. No entanto, eles também aceitam erros mais facilmente do que os computadores digitais.

Computadores analógicos desmistificados

Um computador analógico é um tipo de dispositivo de computação que opera com dados contínuos, diferentemente de sua contraparte digital, que processa informações em etapas discretas. Esses computadores aproveitam fenômenos físicos como tensão elétrica, movimento mecânico ou pressão hidráulica para modelar e resolver problemas diretamente, refletindo a natureza contínua dos dados que manipulam.

Ao contrário dos computadores digitais que computam usando operações binárias (0s e 1s), os computadores analógicos realizam cálculos manipulando variáveis ​​contínuas. Isso lhes permite simular sistemas complexos em tempo real, uma capacidade inestimável em áreas como aeronáutica para simulações de voo, meteorologia para previsão do tempo e engenharia automotiva para análise de sistemas dinâmicos.

Por exemplo, antes do surgimento de poderosos computadores digitais, os pilotos treinavam usando simuladores de vôo analógicos baseados em computador. Esses simuladores poderiam imitar o comportamento da aeronave sob diversas condições, ajustando os controles físicos e observando as saídas analógicas, fornecendo uma ferramenta de treinamento altamente realista e eficaz que respondia em tempo real às entradas do piloto.

O computador analógico versus o computador digital

A distinção entre computadores analógicos e digitais não está apenas em seus mecanismos operacionais, mas também em sua aplicação, eficiência e precisão em diversas tarefas computacionais. Para elucidar essas diferenças, considere a seguinte análise comparativa:

Um exemplo ilustrativo que destaca as diferenças práticas pode ser encontrado no processamento de sinais. Um computador analógico processa sinais de áudio diretamente, manipulando as propriedades físicas do sinal para produzir uma saída. Em contraste, um computador digital deve primeiro converter o sinal em um formato digital por meio de amostragem, processá-lo e depois convertê-lo novamente em um sinal analógico para reprodução. Embora seja mais preciso, este processo introduz um atraso e requer etapas adicionais em comparação com a manipulação direta possível com sistemas analógicos.

Além disso, há um interesse ressurgente na computação analógica, particularmente para aplicações especializadas como modelagem de redes neurais e processamento de sinais, ressaltando suas vantagens únicas. Por exemplo, ao processar grandes conjuntos de dados para reconhecimento de imagens, os computadores analógicos podem realizar operações de forma mais rápida e eficiente do que os sistemas digitais, pois não requerem tradução de dados em código binário para processamento. Isto torna os computadores analógicos excepcionalmente adequados para tarefas onde a velocidade e a capacidade de lidar com conjuntos de dados grandes e complexos em tempo real são críticas, embora às custas da alta precisão e versatilidade oferecidas pelos sistemas digitais.

Enquanto os computadores digitais formam a espinha dorsal da computação moderna, lidando com tudo, desde aplicações cotidianas até análises complexas de dados com precisão e versatilidade incomparáveis, os computadores analógicos oferecem vantagens exclusivas para simulação em tempo real e processamento contínuo de dados. A escolha entre analógico e digital depende, em última análise, dos requisitos específicos da tarefa, com cada sistema oferecendo benefícios distintos, adaptados às diferentes necessidades de computação.

Por que o sistema analógico se tornou obsoleto?

Como esses computadores tinham alavancas mecânicas, os engenheiros tiveram que alterar fisicamente o circuito (mudando pedais, amplificadores operacionais e multiplicadores) para realizar diferentes operações. Eles também tinham entradas propensas a erros, como tensão e frequência de pulso, que eram afetadas pelo ruído de fundo. Além disso, as próprias entradas eram ruidosas, o que amplificava ainda mais o erro no sistema.

Nenhuma dessas coisas é um problema para os computadores digitais, o que explica por que os sistemas analógicos se tornaram obsoletos quando os dispositivos digitais começaram a decolar. Quem iria querer um sistema propenso a cometer erros quando poderia usar um sistema muito mais eficiente e preciso?

Por que eles estão voltando?

Embora os sistemas analógicos tenham sido substituídos por computadores digitais que usavam dispositivos de entrada simples, como mouses e teclados, eles parecem estar de volta. A verdadeira razão para isso é que, como os computadores hoje utilizam e geram grandes quantidades de dados, o uso de computadores digitais com Arquitetura de Von Neuman causa gargalos na memória.

Isso ocorre porque o sistema precisa converter os dados recebidos em binários antes que a placa-mãe possa processá-los. A interface da memória e do processador é onde ocorre o gargalo.

Os computadores analógicos, por sua vez, processam dados na memória, o que significa que podem processar dados diretamente, sem convertê-los em 0s e 1s ou em qualquer outra forma de linguagem de máquina. Em vez de usar transistores, os sistemas analógicos dependem de resistores para realizar cálculos. Feitos os cálculos, o resultado final pode ser convertido para o formato digital.

Isso reduz significativamente o número de conversões analógico-digitais (ADC) necessárias para um processo, levando a resultados mais rápidos e melhor desempenho. Além disso, as configurações analógicas não precisam realizar todos os cálculos em um ciclo. Em vez disso, eles podem fazer vários cálculos parciais, que podem então ser usados ​​para criar o resultado final. Isto melhora ainda mais a eficiência do sistema.

Dispositivos analógicos geralmente apresentam um tempo médio entre falhas (MTBF) alto. Por exemplo, esse dispositivo analógico tem um MTBF de 30.000 horas, ou seja, pode funcionar 300.000 horas antes de sofrer uma falha catastrófica. Para operações específicas, os sistemas analógicos são mais rápidos que os sistemas digitais. Eles são, portanto, úteis para processar grandes conjuntos de dados de formas de onda, como pulso nuclear ou dados de eventos de supercolisão. Os computadores digitais não conseguem lidar com tal carga de trabalho.

Hoje, os engenheiros normalmente usam circuitos integrados para programar barras transversais de sistemas analógicos. Através do rearranjo da barra transversal, os sistemas analógicos podem realizar múltiplas operações, o que é diferente dos sistemas mais antigos que só podiam executar um número limitado de funções. Os sistemas mais novos também não precisam de correção manual e podem realizar cálculos científicos avançados e diferenciais.

Computação Analógica: Casos de Uso da Indústria

Hoje, muitas empresas usam redes neurais e algoritmos de aprendizagem profunda para extrair insights de seus dados. No início, as empresas usaram GPUs em vez de CPUs tradicionais para modelagem e padronização de dados.

Mas treinar modelos em GPUs leva muito tempo. A mais recente otimização em hardware para processamento de redes neurais é TPU (unidade de processamento tensor)um circuito integrado desenvolvido especificamente para treinar redes neurais.

Mas mesmo após a implementação das TPUs, a modelagem final é muito lenta. Devido a isso, algumas empresas estão buscando computadores analógicos para modelagem de redes neurais. Eles são mais rápidos e orientados para o desempenho do que as TPUs para determinadas tarefas. Embora tenham alguns problemas (programar sistemas analógicos é difícil e são mais propensos a erros de ruído), eles são muito eficientes para lidar com grandes conjuntos de dados, como acontece com reconhecimento de imagem e processamento de fala.

Para processos determinísticos, como redes neurais, que podem funcionar com precisão modesta, os sistemas analógicos são uma ótima opção.

A maioria dos sensores usados ​​hoje são analógicos, por isso precisam de um sistema analógico para processar seus dados. Eles também usam memristores, que lembram o valor por tempo suficiente para serem contínuos. Além disso, utilizam apenas o conversor ADC para exibir o resultado final. As empresas podem usar esses dispositivos para criar dispositivos/robôs/máquinas autônomos que possam executar tarefas de baixo nível continuamente, sem supervisão humana.

Embora os supercomputadores sejam necessários para realizar cálculos longos e complexos, eles consomem muita energia elétrica. Por exemplo, Tianhe-1A, um supercomputador com potência computacional de 2,5 petaflops, requer 4,04 MW de energia. Esta é uma quantidade enorme de eletricidade porque, em média, 1 megawatt de eletricidade pode abastecer 800 residências durante um ano.

Isto significa que mesmo que os supercomputadores possam realizar cálculos complexos em altas velocidades, o compensação tempo-energia é muito alto para que sejam úteis.

Os computadores analógicos funcionam com o mesmo princípio de funcionamento da mente humana. Eles pegam dados de outros chips analógicos e os usam para realizar seus cálculos, em vez de acessá-los da memória. Além disso, em vez de um multiplicador de 32 bits, os sistemas analógicos usam multiplicadores analógicos de 1 bit para realizar a mesma operação. Isso permite que o sistema aumente sua eficiência enquanto diminui a dissipação de energia.

Mesmo que você precise realizar alterações de circuito manualmente para alterar uma função, você pode facilmente dimensionar esse sistema para desempenho e potência (já que os componentes de computação paralela também são dimensionados). Qualquer problema com operações paralelas terá melhor desempenho em um ambiente de computação analógico. Os sistemas analógicos podem ser a resposta aos problemas de energia dos supercomputadores.

O futuro

Hoje, muitas empresas estão trabalhando em sistemas híbridos, ou seja, computadores digitais com relé analógico embutido. Esses sistemas podem processar dados contínuos e discretos. Em vez de usar elementos de programação como loops e algoritmos, eles usam interconexões para criar o analógico elétrico necessário.

Esses sistemas são rápidos, confiáveis ​​e eficientes. No entanto, embora muitos sistemas híbridos sejam actualmente utilizados para fins especializados (processadores de combustível, monitores cardíacos), ainda não foram totalmente explorados. E há um grande motivo para isso.

A reintrodução da computação analógica hoje é um enorme desafio arquitetônico e financeiro. Muitas empresas não estão preparadas para investir na reformulação da sua infra-estrutura actual numa escala tão grande. Teriam também de investir em formação e certificação, uma vez que os sistemas analógicos estão fora do mercado há demasiado tempo.

Embora exista uma enorme demanda e mercado para a computação analógica, as soluções levariam tempo para serem desenvolvidas. A mudança do digital para o híbrido já começou. Uma transição do processo de pensamento está fadada a acontecer em breve. Afinal, o mundo é analógico e não digital.