Ještě předtím, než přišly na scénu výkonné digitální počítače, analogové stroje řešily náročné technické problémy. Mnoho nadšenců toto technologické dědictví oživuje a dociluje tím ohromujících úspěchů.
Sídlem firmy, která se zabývá analogovými počítači, je skromný rodinný dům ze šedesátých let v německé provincii Hessensko. Zakladatelem společnosti je Bernd Ulmann, hlavním povoláním profesor pro hospodářskou matematiku na soukromé vysoké škole pro ekonomii a management. Štíhlý, černě oblečený matematik by se možná dal považovat za intelektuála, který miluje venkovskou odloučenost. Ve skutečnosti ale především potřeboval místo pro svou vášeň, kterou jsou analogové počítače. Dům, který je po střechu naplněný elektronikou, je současně muzeem historických zařízení i místem zrodu nové generace analogových počítačů. Ty mají být nasazeny tam, kde digitální počítače narážejí na své hranice.
Volné místo je v domě nedostatkovým zbožím - vidíme zde regály zaplněné příručkami a dokumentací, mezi nimi staré pevné disky a magnetické pásky. Také je zde vystavena počítačová deska, v níž desítky modrých a červených kabelů vytvářejí propletený svazek. Ve skutečnosti se jedná o počítačový program, ačkoli to tak vůbec nepůsobí. Analogové počítače jsou konstruovány zcela jinak než ty digitální. Jejich programy nejsou sousledností výpočetních instrukcí, uložených na disku jako posloupnost nul a jedniček, ale skrývají se v kabeláži. Software a hardware zde tvoří jeden celek. Software analogových počítačů spojuje výpočetní bloky, které si předávají vstupní signály, multiplikují je, srovnávají a mohou je integrovat. Nedá se s tím sice udělat všechno, co umí digitální počítač, ale na druhou stranu je možné díky tomu řešit problémy, s nimiž mají digitální souputníci potíže. Analogové stroje tak například řeší vědecké otázky popisované diferenciálními rovnicemi - molekulární dynamiku, mechaniku proudění, ale také výpočty z biologie nebo ekonomie.
Náraz ocele na beton
Řešit takové úlohy pomocí digitálního počítače znamená stále znovu a znovu propočítávat rovnice pro tisíce datových bodů, dokud řešení na konci - jak zadavatelé úkolu doufají - nekonverguje do stabilních hodnot. Nebo také ne. Aby se studenti přesvědčili o potřebnosti analogových počítačů, zadává jim Ulmann na první pohled jednoduchý problém - náraz ocelové koule na betonovou zem. Rovnice sice vypadají jednoduše, ale hodnoty pro urychlení v pádové a nárazové fázi se významně odlišují. S jejich použitím bychom došli k závěru, že koule při každém nárazu vyskočí do výšky - což je zjevně nesmyslný závěr. Analogové počítače takové potíže neznají. „Ještě jsem neviděl analogový počítač, který poskytuje fyzikálně nesmyslný výsledek,“ říká Ulmann. Řešení je sice nepřesné, ale především realistické. To, co analogové počítače umí, navíc spočítají velmi rychle a efektivně. A další výhoda - jedním z faktorů, který ohraničuje výkon moderních počítačů, je energetická spotřeba. V současnosti nejrychlejší počítač světa má spotřebu kolem 13 megawatt. U srovnatelného analogového počítače by teoreticky mohla klesnout na desetinu.
Integrál kbelíku s vodou
Analogové počítače využívají skutečnosti, že některé komplikované matematické operace, například integrály, se v elektronickém světě dají docela jednoduše modelovat pomocí nabití kondenzátoru. Představme si například, že napouštíme kbelík s vodou. To, co se na konci nachází uvnitř v kbelíku, je integrál přivedeného proudu vody. V realitě je věc samozřejmě komplikovanější, jinak by analogové stroje nebyly tak velké, citlivé a drahé.
Stroj, na němž Ulmann dnes svým návštěvníkům demonstruje výhody analogových počítačů, dříve simuloval stavy ve vedení jádra elektrárny. Jeho základní modul se vejde do 19palcového racku, v němž hudebníci běžně přenášejí svoje vybavení - několik integrátorů, sčítačů a multiplikátorů se ukrývá v bedně, která stojí asi 4 tisíce eur (přibližně 100 tisíc Kč). Malý zisk z prodeje počítače pak analogoví průkopníci Ulmannovy firmy Analog Paradigm investují do dalšího vývoje. Masová výroba však zatím není možná. Okruh zákazníků je malý, práce s analogovým počítačem vyžaduje mnoho kontaktů s výrobcem a jeho péči. A systémy navíc nejsou dokonalé. Při předvedení u zajímavého zákazníka se technikům jednou stalo, že jeden z integrátorů nefungoval.
Tři větší systémy s několika základními moduly zatím firma Analog Paradigm prodala jedné soukromé osobě, dále Polytechnické škole v Paříži, a jeden exemplář institutu pro systémovou biologii na univerzitě v Ulmu. Tam výzkumníci simulovali přenos signálu v buňkách pomocí analogových počítačů, aby lépe porozuměli biologickému šíření informace a nalezli další možnosti pro nasazení nových léků.
Život v digitálu
Vedle počítače od Ulmanna pracuje ještě jeden analogový stroj. Hybridní čip pochází od Yannise Tsividise z Kolumbijské univerzity. Nachází se na malé desce, která je prostřednictvím USB spojena s digitálním počítačem. Také Tsividisův stroj umí řešit diferenciální rovnice - ovšem s energetickou spotřebou, která je nižší než u digitálního počítače, a výpočty jsou přitom rychlejší. Přesnost systému je ohraničená, analogová součást čipu pracuje pouze s osmibitovou přesností. Souhra vysoce integrovaných stavebních dílů a tisíce programovatelných přepínačů je tak náročná, že po každém výpočtu musí proběhnout automatická kalibrace, aby se vyrovnalo kolísání ve fyzikálních parametrech stavebních dílů. Kalibrace tak znovu částečně ubírá na výhodách rychlosti analogových počítačů.
Z dlouhodobého pohledu není kabeláž analogových počítačů to pravé. Mladá generace informatiků by si s elektronickými přepínači příliš neporadila - jsou zvyklí na digitální prostor, sestávající z nul a jedniček. Představou společnosti Analog Paradigm tak je hybridní počítač, jehož digitální část spolu propojuje požadované analogové výpočetní moduly.
Na cestě k východu domu pak návštěvník prochází kolem němých, otlučených svědků minulosti, které byly opraveny namáhavou, léta trvající trpělivou prací. Jako další úkol musí výzkumníci zjistit, jaká je optimální velikost analogových bloků. Tváří v tvář funkčnímu počítači nelze pochybovat o tom, že Ulmann disponuje potřebnou výdrží k tomu, aby takový úkol zvládl.
Foto autor| Foto: Topory, CC BY-SA 3.0; OLDSOFT, CC BY-SA 3.0
Foto popis| Rychlé, ale nepřesné Na počátku druhé poloviny 20. století byly analogové počítače využívány pro řešení složitých matematických simulací. Od padesátých let však začaly být kombinovány s číslicovými počítači, jejichž výkon stále vzrůstal, a proto analogové počítače převálcovaly. Zpracování je v analogovém počítači uskutečněno pomocí elektronických obvodů, které na vstupu přijímají spojitý signál. Analogové počítače jsou rychlé, ale nepříliš přesné. V Československu byly v 70. letech vyráběny stroje MEDA, které dokázaly řešit lineární a nelineární diferenciální rovnice až 24. řádu.
Foto popis| Československý počítač MEDA 42 TA ze sedmdesátých let.
Foto popis| Polský analogový počítač AKAT-1 ze šedesátých let.
Foto popis| Analogový počítač Newmark z roku 1960 byl používán pro řešení diferenciálních rovnic, v současnosti je vystaven v Technologickém muzeu v Cambridge.
Foto popis| Snímek pořízený kolem roku 1949, analogový počítač na Lewis Flight Propulsion Laboratory.
O autorovi| MICHAL ČERNÝ, michalcerny.media@seznam.cz