Analog sinyal aritmetiği dijital olandan daha mı hızlı?

Dijital FPU'lar (CPU -> DAC -> analog FPU -> ADC -> CPU) yerine analog sinyal aritmetiği (doğruluk ve hassasiyet pahasına) kullanılırsa, modern işlemcileri hızlandırmak teorik olarak mümkün olabilir mi?

Analog sinyal bölünmesi mümkün mü (FPU çarpımı yine de bir CPU döngüsünü alır)?

Temel olarak, tüm devreler analogdur. Analog gerilimler veya akımlarla hesaplamaların gerçekleştirilmesindeki problem, gürültü ve bozulma birleşimidir. Analog devreler gürültüye maruz kalır ve analog devreleri devasa büyüklük derecelerinde doğrusal yapmak çok zordur. Bir analog devrenin her aşaması, sinyale gürültü ve / veya bozulma ekleyecektir. Bu kontrol edilebilir, ancak ortadan kaldırılamaz.

Dijital devreler (yani CMOS) temel olarak bu sorunu, bilgiyi temsil etmek için sadece iki seviye kullanarak, her aşamada sinyali yenileyerek, yan adım yapar. Çıktının% 10 oranında kapalı kalması kimin umrunda, sadece bir eşiğin altında veya üstünde olması gerekir. Çıktının% 10 oranında bozulup bozulmadığı kimin umrunda, yine sadece eşiğin üstünde veya altında olması gerekir. Her eşik karşılaştırmasında, sinyal temel olarak yenilenir ve gürültü / doğrusallık sorunları / etc. çıkardı. Bu, giriş sinyalini büyütmek ve kırpmak suretiyle yapılır - bir CMOS invertör, iki transistörden oluşan çok basit bir amplifikatördür ve karşılaştırıcı olarak açık döngülüdür. Seviye eşiğin üzerine itilirse, o zaman biraz hata alırsınız. İşlemciler genellikle 10 ^ -20, IIRC siparişte bit hata oranlarına sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu nedenle, dijital devreler inanılmaz derecede sağlamdır - doğrusallık ve gürültü temelde sorun olmadığından çok geniş bir koşul aralığında çalışabilirler. Dijital olarak 64 bit sayılarla çalışmak neredeyse önemsiz. 64 bit, 385 dB dinamik aralığı temsil eder. Bu 19 büyüklük sırası. Cehennemde analog devrelerle buna yakın bir yere gitmenin yolu yok. Eğer çözünürlüğünüz 1 picovolt (10 ^ -12) ise (ve bu temel olarak termal gürültüyle ıslatılır), o zaman maksimum 10 ^ 7 değerini desteklemelisiniz. Hangi 10 megavolttur. Analogda bu tür bir dinamik aralık üzerinde işlem yapmanın kesinlikle bir yolu yok - bu imkansız. Analog devrede bir başka önemli denge bant genişliği / hız / tepki süresi ve gürültü / dinamik aralıktır. Dar bant genişliği devreleri, gürültüyü ortadan kaldıracak ve geniş bir dinamik aralıkta iyi performans gösterecektir. Tradeoff, yavaş olmaları. Geniş bant genişliği devreleri hızlıdır, ancak gürültü daha büyük bir sorundur, bu nedenle dinamik aralık sınırlıdır. Dijital ile, dinamik aralığı artırmak veya paralel olarak veya her ikisini birden yaparak hızda bir artış elde etmek için sorunlara bit atabilirsiniz.

Bununla birlikte, bazı işlemler için analogun avantajları vardır - daha hızlı, daha basit, daha az güç tüketimi, vb. Dijital seviye ve zaman içinde ölçülmelidir. Analog her ikisinde de süreklidir. Analogın kazandığı bir örnek, wifi kartınızdaki radyo alıcısında. Giriş sinyali 2,4 GHz'de geliyor. Tamamen dijital bir alıcı, saniyede en az 5 gigasample çalışan bir ADC'ye ihtiyaç duyacaktır. Bu büyük miktarda güç tüketir. Ve bu ADC'den sonraki işlemleri bile düşünmüyor. Şu anda, bu hızın ADC'leri gerçekten sadece çok yüksek performanslı temel bant iletişim sistemleri (örneğin, yüksek sembol oranı uyumlu optik modülasyon) ve test ekipmanlarında kullanılıyor. Ancak, 2 dönüştürmek için bir avuç transistör ve pasif kullanılabilir.

Sonuç olarak analog ve dijital hesaplamanın avantaj ve dezavantajları var. Gürültü, bozulma, düşük dinamik aralık ve / veya düşük hassasiyete tahammül edebiliyorsanız, analog kullanın. Gürültüye veya bozulmaya tahammül edemiyorsanız ve / veya yüksek dinamik aralık ve yüksek hassasiyete ihtiyacınız varsa, dijital kullanın. Daha fazla hassasiyet almak için her zaman soruna daha fazla bit atabilirsiniz. Bununla birlikte, bunun analog eşdeğeri yoktur.

Geçen ay “ Geleceğe Dönüş: Analog Sinyal İşleme ” başlıklı bir IEEE konuşmasına katıldım . Konuşma IEEE Solid State Circuit Society tarafından düzenlendi.

Analog bir MAC'in (çoğalarak ve biriktirerek) dijital olandan daha az güç tüketebileceği önerildi. Bununla birlikte, sorunlardan biri, bir analog MAC'nin analog gürültüye maruz kalmasıdır. Dolayısıyla, iki kez aynı girdilerle sunarsanız, sonuçlar tam olarak aynı olmaz.

Bahsettiğiniz konuya Analog Bilgisayar denir ve bilgisayarların ilk günlerinde oldukça yaygındı. 60'ların sonunda yaklaşık olarak onlar ortadan kaybolmuştu. Sorun, hassasiyetin dijital olmaktan çok daha kötü olması değil aynı zamanda doğruluk da olmasıdır. Dijital hesaplama hızı da mütevazı analog devrelerden bile daha hızlı.

Analog bölücüler gerçekten mümkündür ve Analog Devices yaklaşık 10 farklı model yapar. Bunlar aslında bir op ampin geri besleme yoluna giren, bir bölücü üreten çarpanlardır, ancak AD, bölenin büyük (60 dB, sanırım) dinamik aralığı için optimize edilmiş özel bir bölücü üretmek için kullanılır.

Temel olarak, analog hesaplama, dijital ile karşılaştırıldığında yavaş ve yanlış. Sadece bu değil, aynı zamanda belirli bir analog hesaplamanın gerçekleştirilmesi, donanımın yeniden yapılandırılmasını gerektirir. Oyunun sonlarında, yazılım kontrolü altında bunu yapabilen hibrid analog bilgisayarlar üretildi, ancak bunlar hantaldı ve özel kullanımlar dışında asla yakalanmadı.

Analog sinyal bölünmesi mümkün mü (FPU çarpımı yine de bir CPU döngüsünü alır)?

Bir analog çarpanınız varsa, bir analog bölücüyü yapmak kolay "kolaydır":

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

X1 ve X2'nin pozitif olduğunu varsayarsak, bu, Y = X1 / X2'yi çözer.

Analog çarpanlar vardır, bu nedenle bu devre prensip olarak mümkündür. Ne yazık ki çoğu analog çarpan, oldukça sınırlı sayıda izin verilen giriş değerine sahiptir.

Başka bir yaklaşım, önce X1 ve X2 logaritmasını elde etmek için log yükselticilerini kullanmak, çıkarmak ve sonra üstelleştirmek olacaktır.

Dijital FPU'lar (CPU -> ADC -> analog FPU -> DAC -> CPU) yerine analog sinyal aritmetiği (hassasiyete göre) kullanılırsa modern işlemcileri hızlandırmak teorik olarak mümkün olabilir mi?

Kalbinde bu bir teknoloji meselesi - dijital operasyonları daha hızlı hale getirmek için AR-GE'ye çok fazla yatırım yapıldı, bu analog teknolojinin bu noktada yetişmek için uzun bir yolu olacaktı. Ama kesinlikle imkansız olduğunu söylemenin bir yolu yok.

Öte yandan, yukarıdaki ham bölücü devremin, çok dikkatli bir çalışma yapmak zorunda kalmadan belki de 10 MHz'nin üzerinde çalışmasını beklemiyorum ve belki de daha hızlı gitmek için derin dalış araştırmaları yapıyordum.

Ayrıca, hassasiyeti ihmal etmemiz gerektiğini söylüyorsunuz, ancak çektiğim gibi bir devre muhtemelen ayarlama yapmadan sadece% 1 kadar doğrudur ve yeni teknolojiyi icat etmeden muhtemelen sadece% 0.1 kadardır. Faydalı olarak hesaplanabilen girdilerin dinamik aralığı da benzer şekilde sınırlıdır. Bu yüzden sadece mevcut dijital devrelerden muhtemelen 100 ila 1000 kat daha yavaş değil, dinamik aralığı da muhtemelen yaklaşık 10 ³⁰⁰ kat daha kötü (IEEE 64-bit kayan nokta ile karşılaştırıldığında).

1. Hayır, çünkü DAC ve ADC dönüşümleri dijital bölme veya çarpmadan çok daha fazla zaman alır.

2. Analog çarpma ve bölme o kadar basit değildir, daha fazla enerji kullanır ve maliyet etkin olmaz (dijital IC ile karşılaştırıldığında).

3. Hızlı (GHz aralığı) analog çarpma ve bölme IC'leri yaklaşık% 1 hassasiyete sahiptir. Bu, hızlı analog bölücüye ayırabileceğiniz tek şey ... 8-bit sayılar veya bunun gibi bir şey. Dijital IC'ler bu gibi numaralarla çok hızlı bir şekilde ilgileniyorlar.

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

Burada Analog Devices ( link ) tarafından sunulan analog bölücülere ve çarpanlara bakabilirsiniz.

Bunlar genel hesaplamada pek kullanışlı değil. Bunlar analog sinyal işlemede çok daha iyidir.

Aslında, araştırmacılar şimdi VLSI bağlamında analog hesaplama tekniklerini yeniden ziyaret ediyorlar, çünkü analog hesaplama belirli uygulamalarda dijital olanlardan çok daha yüksek enerji verimliliği sağlayabilir. Bu makaleye bakın:

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