Чи аналогова арифметика сигналу швидша за цифрову?

Чи було б теоретично можливим прискорити сучасні процесори, якби замість цифрових FPU використовувати аналогову арифметику сигналу (ціною точності та точності)?

Чи можливий поділ аналогового сигналу (оскільки множення FPU все одно займає один цикл процесора)?

Принципово всі схеми є аналоговими. Проблема при виконанні обчислень з аналоговими напругами або струмами полягає в поєднанні шуму і спотворень. Аналогові схеми піддаються шуму, і дуже важко зробити аналогові ланцюги лінійними за величезними порядками. Кожен етап аналогової схеми додаватиме сигнал та / або спотворення сигналу. Це можна контролювати, але це неможливо усунути.

Цифрові мікросхеми (а саме CMOS), в основному, спрямовують крок на всю цю проблему, використовуючи лише два рівні для представлення інформації, при цьому кожен етап регенерує сигнал. Кого хвилює, якщо вихід вимкнений на 10%, він повинен бути лише вище або нижче порогового значення. Кого хвилює, якщо вихід спотворений на 10%, знову ж таки він повинен бути вище або нижче порогового значення. При кожному пороговому порівнянні сигнал в основному регенерується і виникають проблеми шуму / нелінійності / тощо. роздягнувся. Це робиться шляхом посилення та відсікання вхідного сигналу - інвертор CMOS - це просто дуже простий підсилювач, виконаний з двома транзисторами, що працює в якості компаратора з відкритим контуром. Якщо рівень висунутий через поріг, то ви отримуєте невелику помилку. Процесори, як правило, розроблені так, щоб вони мали частоту помилок в порядку 10 ^ -20, IIRC. Через це, цифрові схеми неймовірно надійні - вони здатні працювати в дуже широкому діапазоні умов, оскільки лінійність та шум в основному не є проблемами. Працювати з 64-бітовими числами майже цифрово. 64 біта представляє 385 дБ динамічного діапазону. Це 19 порядків. У пеклі немає ніякого способу дістатися десь поблизу аналогових схем. Якщо ваша роздільна здатність дорівнює 1 піковольт (10 ^ -12) (і в основному це буде негайно затоплено тепловим шумом), вам доведеться підтримувати максимальне значення 10 ^ 7. Що становить 10 мегавольт. Існує абсолютно ніякий спосіб працювати над таким динамічним діапазоном в аналоговому - це просто неможливо. Інший важливий компроміс в аналогових схемах - це пропускна здатність / швидкість / час реакції та шум / динамічний діапазон. Вузькі ланцюги пропускної здатності дозволять забезпечити середній рівень шуму та ефективність у широкому динамічному діапазоні. Компроміс полягає в тому, що вони повільні. Широкі смуги пропускної здатності швидкі, але шум є більшою проблемою, тому динамічний діапазон обмежений. За допомогою цифрового сигналу ви можете кинути біти на проблему, щоб збільшити динамічний діапазон або отримати швидкість, виконуючи паралельно речі, або те й інше.

Однак для деяких операцій аналог має переваги - швидший, простіший, менший енергоспоживання і т. Д. Цифровий повинен бути квантований за рівнем і в часі. Аналог є безперервним в обох. Один із прикладів, коли аналог виграє - це радіоприймач у вашій wifi-картці. Вхідний сигнал надходить на частоті 2,4 ГГц. Повністю цифровому приймачу потрібен АЦП, що працює принаймні 5 гігаспром в секунду. Це затратило б величезну кількість енергії. І це навіть не враховує обробку після АЦП. Зараз АЦП такої швидкості справді застосовуються лише для високоефективних систем базової смуги зв'язку (наприклад, когерентна оптична модуляція з високою швидкістю символів) та для тестового обладнання. Однак для зменшення перетворення 2 можна використати кілька транзисторів і пасивів.

Суть полягає в тому, що в аналогових та цифрових обчисленнях є переваги та недоліки. Якщо ви переносите шум, спотворення, низький динамічний діапазон та / або низьку точність, використовуйте аналог. Якщо ви не переносите шум чи спотворення і / або вам потрібен високий динамічний діапазон і висока точність, використовуйте цифровий. Ви завжди можете кинути більше бітів на проблему, щоб отримати більш точну. Однак аналогового еквівалента цього немає.

У минулому місяці я взяв участь у розмові IEEE під назвою « Назад у майбутнє: обробка аналогового сигналу ». Розмова була організована твердотільним товариством IEEE.

Було запропоновано, що аналоговий MAC (множитися та накопичуватись) може споживати менше енергії, ніж цифровий. Однак одне питання полягає в тому, що аналоговий МАК піддається аналоговому шуму. Отже, якщо ви представите його з однаковими входами двічі, результати не були б абсолютно однаковими.

Те, про що ви говорите, називається Аналоговий комп’ютер, і воно було досить поширене в перші часи комп'ютерів. Приблизно до кінця 60-х вони по суті зникли. Проблема полягає в тому, що не тільки точність набагато гірша, ніж для цифрових, але і точність. А швидкість цифрових обчислень набагато швидша, ніж навіть скромні аналогові схеми.

Аналогові роздільники дійсно можливі, і Analog Devices робить близько 10 різних моделей. Це насправді множники, які вставляються у шлях зворотного зв'язку підсилювача, створюючи дільник, але AD використовується для отримання виділеного дільника, оптимізованого для великого (60 дБ, я думаю) динамічного діапазону дільника.

В основному, аналогові обчислення є повільними та неточними порівняно з цифровими. Мало того, але реалізація будь-якого конкретного аналогового обчислення вимагає переналаштування обладнання. Пізно в грі були випущені гібридні аналогові комп’ютери, які могли це робити під контролем програмного забезпечення, але вони були громіздкими і ніколи не потрапляли, за винятком спеціального використання.

Чи можливий поділ аналогового сигналу (оскільки множення FPU все одно займає один цикл процесора)?

Якщо у вас є аналоговий множник, аналоговий дільник легко зробити:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Якщо припустити, що X1 і X2 є позитивними, це вирішує Y = X1 / X2.

Аналогові множники дійсно існують, тож ця схема можлива в принципі. На жаль, більшість аналогових множників мають досить обмежений діапазон дозволених вхідних значень.

Іншим підходом було б спочатку використовувати підсилювачі журналу, щоб отримати логарифм X1 і X2, відняти, а потім експонентувати.

Чи було б теоретично можливо прискорити сучасні процесори, якби використовувати цифрову арифметику аналогового сигналу (ціною точності) замість цифрових FPU (CPU -> ADC -> analog FPU -> DAC -> CPU)?

По суті це питання технології --- стільки було вкладено в НДДКР, щоб зробити цифрові операції швидшими, що аналогові технології доведеться пройти довгий шлях, щоб наздогнати цей момент. Але не можна сказати, що це абсолютно неможливо.

З іншого боку, я не очікував, що моя сира схема дільника буде працювати вище, можливо, 10 МГц, не потребуючи дуже обережної роботи і, можливо, глибокого дослідження занурення, щоб змусити її пройти швидше.

Крім того, ви кажете, що ми повинні нехтувати точністю, але схема, як я намалювала, ймовірно, точна лише до 1% або близько того, без настройки, і, ймовірно, лише до 0,1%, не винаходивши нової технології. А динамічний діапазон входів, на які можна корисно розрахувати, аналогічно обмежений. Отже, це не тільки, що він, напевно, у 100-1000 разів повільніше, ніж наявні цифрові схеми, а також динамічний діапазон його, можливо, приблизно в 10 ³⁰⁰ разів гірший (порівняно з 64-бітовою плаваючою точкою IEEE).

1. Ні, тому що перетворення ЦАП і АЦП потребують набагато більше часу, ніж цифрове ділення або множення.

2. Аналогове множення та ділення не так вже й просто, витрачається більше енергії, і це не було б економічно ефективно (порівняно з цифровим ІС).

3. ІЧ-інтерфейси швидкого множення та ділення швидкого (діапазон ГГц) мають точність близько 1%. Це означає, що все, що ви можете розділити на швидкий аналоговий дільник, це ... 8-бітні числа чи щось подібне. Цифрові ІМ дуже швидко справляються з такими числами.

4. $3.4*10^{-34}$$3.4*10^{34}$

Тут ви можете подивитися аналогові дільники та множники, пропоновані Analog Devices ( посилання )

Ці речі не дуже корисні в загальних обчисленнях. Це набагато краще в аналоговій обробці сигналу.

Власне, зараз дослідники відвідують аналогові обчислювальні методи в контексті VLSI, оскільки аналогові обчислення можуть забезпечити набагато більшу енергоефективність, ніж цифрові в конкретних програмах. Дивіться цей документ:

http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=7313881&tag=1