Гибридная вычислительная система
Гибридная вычислительная система
Гибридная вычислительная система – аналого-цифровая вычислительная машина, иначе комбинированная вычислительная машина, другими словами, комбинированный комплекс, состоящий из нескольких электронных вычислительных машин, применяющих различное представление величин (цифровое и аналоговое) и соединенных общей системой управления. В состав гибридной вычислительной системы, помимо цифровых и аналоговых машин и системы управления, как правило, входят устройства внутрисистемной связи, преобразователи представления величин и внешнее оборудование. Гибридная вычислительная система – комплекс ЭВМ, в этом ее основное отличие от гибридной вычислительной машины, получившей такое название потому, что она базируется на гибридных решающих элементах либо с применением цифровых и аналоговых элементов.
В литературе часто к гибридным вычислительным системам относят АВМ с многократным применением решающих элементов, оснащенные запоминающим устройством, АВМ с цифровым программным управлением и АВМ с параллельной логикой. Подобного рода вычислительные машины, хотя и имеют элементы, применяемые в ЦВМ, но все также сохраняют аналоговый способ представления величин и все специфические отличия и свойства АВМ. Появление гибридных вычислительных систем объясняется тем, что для решения большинства новых задач, связанных с управлением перемещающимися объектами, созданием комплексных тренажеров, оптимизацией и моделированием систем управления и др., возможности отдельно взятых ЦВМ и АВМ являются уже недостаточными.
Разделение в ходе решения задачи вычислительного процесса на отдельные операции, которые выполняются ЦВМ и АВМ в комплексе, сокращает объем вычислительных операций, решаемых на ЦВМ, что при других равных условиях сильно повышает общее быстродействие гибридных вычислительных систем.
Существуют сбалансированные, цифро-ориентированные и аналого-ориентированные гибридные вычислительные системы.
В системах первого вида ЦВМ применяются как дополнительное внешнее устройство к АВМ, которое необходимо для образования сложных нелинейных зависимостей, запоминания итоговых результатов и для выполнения программного управления АВМ. В системах второго вида АВМ применяется как дополнительное внешнее устройство ЦВМ, которое предназначено для моделирования частей реальной аппаратуры, многократного осуществления небольших подпрограмм.
Изобретение эффективных гибридных комплексов требует в первую очередь уточнения главных областей их использования и тщательного анализа стандартных задач из данных областей.
В итоге устанавливают целесообразную структуру гибридного комплекса и предъявляют требования к его отдельным частям.
Задачи, которые успешно решаются с помощью гибридных вычислительных систем, можно разделить на следующие главные группы: моделирование автоматических систем управления в реальном времени, состоящих как из цифровых, так и из аналоговых устройств; воспроизведение в реальном времени действий, которые содержат высокочастотные компоненты и переменные, которые изменяются в обширном диапазоне; моделирование биологических систем; статистическое моделирование; оптимизация систем управления; решение уравнений в частных производных.
Образцом задачи первой группы может являться моделирование системы управления прокатного стана. Динамика процессов, происходящих в нем, воссоздается на аналоговой машине, а на универсальной ЦВМ среднего класса моделируется специализированная управляющая станом машина. Вследствие непродолжительности переходных процессов в приводах прокатных станов, общее моделирование подобных процессов в реальном времени потребовало бы использования сверхбыстродействующих ЦВМ. Подобные задачи довольно часто встречаются в системах управления военными объектами.
Стандартными для второй группы являются задачи управления перемещающимися объектами, в том числе и задачи самонаведения, а также задачи, которые возникают при создании вычислительного элемента комплексных тренажеров. Для задач самонаведения свойственно формирование траектории перемещения непосредственно в процессе движения. Большая скорость варьирования некоторых параметров при приближении предмета к цели требует высокого быстродействия управляющей системы, которое превышает возможности нынешних ЦВМ, и в то же время большой динамический диапазон требует высокой точности, которую трудно достигнуть на АВМ. При решении такой задачи на гибридных вычислительных системах целесообразно поручить моделирование уравнений движения вокруг центра тяжести на аналоговую часть системы, а движение самого центра тяжести и кинематические параметры – на цифровую часть вычислительной системы.
К третьей группе можно отнести задачи, решение которых образуется в результате обработки многих результатов случайного процесса, например решение многомерных уравнений в частных производных с помощью метода Монте-Карло, нахождение экстремума функций нескольких переменных, решение задач стохастического программирования. Многократное повторение случайного процесса поручается быстродействующей АВМ, которая работает в режиме многократного повторения решения, а обработка итогов, вычисление функционалов, воспроизведение функций на границах области – на ЦВМ. Помимо этого, ЦВМ определяет момент окончания вычислений. Применение гибридных вычислительных систем позволяет сократить время решения задач подобного вида на несколько порядков в сравнении с использованием только цифровой машины.
Подобный эффект достигается при применении гибридных вычислительных систем для моделирования процессов распространения воздействия в биологических системах.
Особенность этого процесса состоит в том, что даже в элементарных случаях необходимо воспроизводить сложную нелинейную систему уравнений в частных производных.
Поиск решения задачи рационального управления для задач выше третьего порядка, как правило, связан с большими, непреодолимыми препятствиями. Еще сильнее они проявляются, если необходимо найти оптимальное управление в процессе работы системы.
Гибридные вычислительные системы в значительной степени способствуют устранению подобных трудностей и применению таких сложных в вычислительном плане средств, как принцип максимума Понтрягина.
Применение гибридных вычислительных систем эффективно в том числе при решении нелинейных уравнений в частных производных. При этом можно решать как задачи анализа, так и задачи оптимизации и идентификации объектов. В качестве примера задачи оптимизации можно привести: подбор нелинейности теплопроводного материала, предназначенного для заданного распределения температур; распределение толщины испаряющегося слоя, который предохраняет космические корабли от чрезмерного нагрева при входе в плотные слои атмосферы; расчет геометрии летательных аппаратов для получения необходимых аэродинамических характеристик; изобретение оптимальной системы подогрева летательных аппаратов для защиты их от обледенения при минимальном использовании энергии на подогрев; расчет сети оросительных каналов, определение оптимального расхода в них и т. п. При решении данных задач ЦВМ объединяется с сеточной моделью, многократно применяемой в процессе решения.
Развитие гибридных вычислительных систем возможно в двух направлениях: построение специализированных гибридных вычислительных систем, которые рассчитаны на решение только какого-либо одного класса задач, и построение всеохватывающих гибридных вычислительных систем, которые позволяют решать довольно широкий класс задач. Структура подобного универсального гибридного комплекса состоит из АВМ однократного действия, сеточной модели, АВМ с повторением решения, специального оборудования, предназначенного для решения задач статистического моделирования, устройств связи между машинами и периферийного оборудования. Кроме стандартного математического обеспечения ЭВМ, входящих в комплект, в гибридных вычислительных системах необходимо использовать специальные программы, которые обслуживают систему связи машин и автоматизирующие процесс постановки и подготовки задач на АВМ, а также универсальный язык программирования для комплекта в целом.
Параллельно с новыми вычислительными возможностями в гибридных вычислительных системах появляются специфические особенности, например, возникают погрешности, которые в отдельных ЭВМ отсутствуют. Первоисточниками погрешностей могут быть временная задержка аналого-цифрового преобразователя, цифро-аналогового преобразователя и ЦВМ; ошибка от неодновременной подачи аналоговых сигналов на аналого-цифровой преобразователь и неодновременной выдачи цифровых сигналов на цифро-аналоговый преобразователь; ошибка округления в цифро-аналоговом и аналогоцифровом преобразователях; ошибки, которые связаны с дискретным характером получения результатов с выхода ЦВМ. При независимой работе ЦВМ с преобразователями временная задержка не дает погрешности, а в гибридных вычислительных системах она не только может дать существенные погрешности, но и дезорганизовать работоспособность всей системы.
Анализ погрешностей гибридных вычислительных систем имеет значение и для оценки, при решении конкретного класса задач, погрешности работы комплекса, и для изобретения методов повышения эффективности и точности системы.
Первичные погрешности независимо работающих ЦВМ и АВМ, входящих в состав гибридных вычислительных систем, достаточно неплохо изучены, однако оценка погрешности при решении вопросов при помощи гибридного комплекса нелинейных задач представляет собой еще неразрешенную проблему.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.