Zaloguj się
Wszystkie
23 grudnia 2025
25
Kiedy rządził analog, a nie cyfra
Dawno temu, w zamierzchłych czasach, pierwsze systemy prawdziwie elektroniczne budowano na lampach elektronowych (w brytyjskim angielskim „valves”, w amerykańskim angielskim „tubes”). Te bestyjki mogły działać jak diody, przełączniki lub wzmacniacze. Wczesne układy lampowe miały charakter analogowy, czego przykładem są radia z lat dwudziestych XX wieku.
Mam ogromny szacunek dla ludzi, którzy projektowali i realizowali najbardziej niesamowite systemy analogowe, często używając jedynie kilku lamp oraz garści rezystorów, kondensatorów i cewek. Jak wielokrotnie wspominałem, z zawodu jestem projektantem systemów cyfrowych i niestabilny charakter układów analogowych nieco mnie niepokoi. Nawet w przypadku najprostszego systemu na lampach mogę godzinami studiować i analizować jego schemat, nie mając pojęcia, do czego ów system służy ani w jaki sposób ma działać. Z kolei każdy z moich kumpli z Alabama Historical Radio Society (www.ALHRS.org) mógłby na ten sam schemat ledwie rzucić okiem, a następnie godzinami dyskutować na temat „transmogryfikujących wstecznych sprzężeń indukcyjnych, usprawniających modulację przyrostu fazy” (lub coś w tym rodzaju).
Cechą charakterystyczną analogowego przetwarzania sygnałów (ASP) jest to, że można bardzo wiele osiągnąć przy użyciu bardzo niewielu elementów. Na przykład dodawanie dwóch fal sinusoidalnych przy jednoczesnym odfiltrowywaniu wszelkich zakłóceń o wielkiej częstotliwości jest w technice analogowej „bułką z masłem”. Natomiast zrealizowanie tej samej funkcji na drodze cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP) wymaga opracowania odpowiedniego algorytmu i pochłania zazwyczaj niezmierną liczbę cyfrowych bramek logicznych i rejestrów, wywołując u projektanta „płacz i zgrzytanie zębów”.
Z drugiej strony – systemy analogowe mają liczne wady, o czym już wcześniej wspominałem. Między innymi to, że w komputerach analogowych rzadko otrzymuje się dwa razy ten sam rezultat. Zawsze występuje jakaś różnica, choćby minimalna. Kolejną cechą analogowości jest tendencja do tracenia informacji. Jeśli w czasach kaset wideo ktoś nakręcił film z urodzin babci i zrobił kopię dla swojej ciotki, a ona zrobiła kopię dla przyjaciółki i... Nie mijało dużo czasu, zanim kopie z kolejnych kopii nie nadawały się do oglądania. Natomiast w trakcie przetwarzania cyfrowego zawsze otrzymujemy ten sam wynik (chyba że coś zepsujemy), co jest rzeczą bardzo podnoszącą na duchu. Co więcej, dzięki zastosowaniu kodów kontrolnych i korygujących błędy (ECC) możliwe jest tworzenie wielu kopii kopii, przy czym ostatnia z nich jest identyczna z pierwszą (hurra!). Ale odbiegamy od tematu...
Rozwój techniki cyfrowej
Wczesne komputery cyfrowe, z początku lat 40. XX wieku, były zazwyczaj elektromechaniczne (oparte na przekaźnikach), czasem elektroniczne (na lampach). Większość z tych maszyn pracowała w systemie dziesiętnym i przetwarzała tylko liczby całkowite. Co ciekawe, już w 1938 r. niemiecki inżynier Konrad Zuse skonstruował w pełni mechaniczny komputer Z1 pracujący w systemie dwójkowym, z arytmetyką zmiennoprzecinkową – ale to już temat na inną okazję.
Maszyny oparte na tych przedpotopowych technologiach były ogromne i zużywały dużo energii. Chyba trudno się dziwić. Jak pisałem w Bebop Bytes Back (https://amzn.to/3MdgfFh), komputer Harvard Mark I, opracowany w Stanach Zjednoczonych w latach 1939–1944, był zbudowany na przełącznikach i przekaźnikach z dodatkiem różnych wałków obrotowych i sprzęgieł. Opisywano, że brzmiał jak „pokój pełen kobiet robiących na drutach”. Maszyna ta zawierała ponad 750 000 elementów, miała 15 m długości, 2,5 m wysokości i ważyła około pięciu ton! Podobnie prezentował się komputer ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), zbudowany na Uniwersytecie Pensylwanii w latach 1943–1946. Miał 3 m wysokości, zajmował powierzchnię 90 m², ważył około 30 ton i zawierał ponad 70 000 rezystorów, 10 000 kondensatorów, 6000 przełączników i 18 000 lamp elektronowych. Pracująca maszyna pobierała 150 kW mocy, co w tamtych czasach wystarczało do oświetlenia małego miasteczka.
Jednym z największych problemów związanych z komputerami lampowymi była ich marna niezawodność. Na przykład 90% przestojów ENIAC-a wynikało z konieczności lokalizowania i wymiany przepalonych lamp. Dane z 1952 r. wskazują, że tylko w tym jednym roku trzeba było wymienić około 19 000 lamp, co daje średnio jakieś 50 lamp dziennie!
Inny problem polegał na tym, że inżynierowie przyzwyczajeni do ciągłej natury świata analogowego co prawda radzili sobie z koncepcjami cyfrowej logiki asynchronicznej, ale mieli trudności ze zrozumieniem niuansów systemów synchronicznych (taktowanych zegarem). Zresztą cała technika cyfrowa znajdowała się wówczas jeszcze w powijakach, co bynajmniej w tej sytuacji nie pomagało.
Życie pionierów komputerowych stało się łatwiejsze po wynalezieniu diod półprzewodnikowych i tranzystorów, a jeszcze łatwiejsze – po skonstruowaniu układu scalonego. Pomocne było również coraz lepsze rozumienie zawiłości logiki cyfrowej.
Kiedy zaczęto budować procesory oparte na półprzewodnikach, ruszył rozwój techniki DSP i jej podobnych. Obecnie możemy produkować układy scalone zawierające setki milionów tranzystorów. Są też układy, które zawierają ich miliardy, a nawet biliony. Przypis redaktora: rekord z 2023 roku należy do pamięci FLASH o pojemności 2 TB, której kostka zawiera ponad 5,3 biliona (5,3∙1012) tranzystorów. To wyjaśnia, dlaczego obecnie tak wiele operacji przetwarzania wykonujemy w technice cyfrowej.
Zmiana jest przerażająca
Podczas mojej krętej podróży przez życie spotykałem inżynierów, którzy byli mistrzami w projektowaniu układów na lampach elektronowych, ale nie potrafili ogarnąć umysłem przyrządów półprzewodnikowych, na przykład tranzystorów.
Spotykałem również projektantów analogowych, którzy z radością tworzyli arcydzieła przy użyciu tranzystorów, rezystorów i kondensatorów, ale nie potrafili pojąć koncepcji funkcji cyfrowych, takich jak prymitywne bramki logiczne (NOT, AND, OR, NAND, NOR...) i elementy pamiętające (przerzutniki, rejestry...) występujące w standardowych układach scalonych ogólnego przeznaczenia, na przykład serii Texas Instruments 7400. Nawet dzisiaj znam inżynierów od techniki cyfrowej, którzy są szczęśliwi jak dzieci, tworząc programy w języku asemblera na mikrokontrolery 8-bitowe, a którzy uciekaliby w popłochu, gdyby poproszono ich o napisanie programu w języku C lub stworzenie aplikacji uruchamianej pod systemem operacyjnym komputera.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
