[發(fā)明專(zhuān)利]擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)設(shè)備

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380023804.7
• 申請(qǐng)日: 2013-03-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104272320A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 義田憲;布賴(lài)斯·漢博;喬少宇;穆勒·索利曼
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 印第安納大學(xué)研究與技術(shù)公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06G7/00
• 分類(lèi)號(hào): G06G7/00;G01R19/00
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 唐京橋;陳煒

優(yōu)先權(quán)申明

本申請(qǐng)要求2012年3月5日提交的題為“Extended?Analog?Computer?Apparatus(擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)設(shè)備)”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第61/606,741號(hào)的優(yōu)先權(quán)。本申請(qǐng)還要求2012年8月6日提交的題為“Extended?Analog?Computer?Apparatus(擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)設(shè)備)”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第61/680,077號(hào)的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)總體涉及計(jì)算設(shè)備，更具體地涉及擴(kuò)展模擬計(jì)算設(shè)備。

背景技術(shù)

現(xiàn)代社會(huì)中，計(jì)算機(jī)用于各種各樣的應(yīng)用。在行話中，術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)”已與數(shù)字計(jì)算機(jī)同義。數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)離散數(shù)據(jù)(通常為二進(jìn)制數(shù)據(jù))執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，并且產(chǎn)生離散輸出。二進(jìn)制數(shù)據(jù)由多個(gè)“位”形成，所述“位”可以取通常表示為通/斷(on/off)或數(shù)值“1”和“0”的兩個(gè)值中的一個(gè)。數(shù)字計(jì)算機(jī)在算法上使用軟件處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以使得單一數(shù)字計(jì)算設(shè)備能夠執(zhí)行各種基于不同的算法的計(jì)算。數(shù)字計(jì)算機(jī)可以使用各種形式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以生成模擬輸出如視覺(jué)圖形、聲音和其它電磁信號(hào)。

盡管數(shù)字計(jì)算機(jī)眾所周知，但是計(jì)算機(jī)不一定是數(shù)字計(jì)算機(jī)。在更廣泛的定義中，術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)”指的是可以重新配置以解決多個(gè)問(wèn)題的任何物理對(duì)象。亦即，計(jì)算機(jī)可以對(duì)于許多不同的“問(wèn)題”產(chǎn)生“答案”。數(shù)字計(jì)算機(jī)使用一種或更多種算法產(chǎn)生問(wèn)題的答案，算法是最終產(chǎn)生問(wèn)題的答案的一系列單獨(dú)計(jì)算。模擬計(jì)算機(jī)是另一種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，其在物理上配置成基于特定的輸入而不使用數(shù)字計(jì)算機(jī)一步一步的算法產(chǎn)生“答案”。在模擬計(jì)算機(jī)的一個(gè)已知的例子中，運(yùn)算放大器(OpAmp)配置在電路中使用兩個(gè)輸入電壓產(chǎn)生輸出電壓。輸出電壓表示簡(jiǎn)單計(jì)算如兩個(gè)輸入電壓的加、減或乘的“答案”。在數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的離散值進(jìn)行操作時(shí)，模擬OpAmp理論上可以接受OpAmp電路的實(shí)際工作范圍內(nèi)無(wú)限數(shù)量的不同的電壓電平。在示例模擬計(jì)算機(jī)中，組件配置和物理法則(在這種情況下法則控制電流如何流過(guò)物理OpAmp設(shè)備)確定問(wèn)題的答案。模擬計(jì)算機(jī)的重新配置可以產(chǎn)生不同問(wèn)題的答案。

數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。經(jīng)典的數(shù)字計(jì)算機(jī)通過(guò)加載軟件并且執(zhí)行軟件中的算法來(lái)自身快速重新配置以回答新問(wèn)題。然而，對(duì)于數(shù)字計(jì)算機(jī)某些類(lèi)型的問(wèn)題難以在合理的時(shí)間量?jī)?nèi)來(lái)解決。例如，用包括偏微分方程和常微分方程的復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式建模的物理仿真。復(fù)雜的仿真通常可以包括隨機(jī)元素，其基于本質(zhì)上觀察的隨機(jī)性以隨機(jī)過(guò)程建模。盡管數(shù)字計(jì)算機(jī)可以在算法上進(jìn)行仿真，但是包括大量個(gè)人數(shù)字計(jì)算機(jī)共同運(yùn)行的數(shù)字計(jì)算機(jī)，甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能在模擬某些現(xiàn)象時(shí)往往無(wú)效。在一些情況下，模擬計(jì)算機(jī)可以比數(shù)字計(jì)算機(jī)更有效地執(zhí)行復(fù)雜物理仿真的等效計(jì)算。模擬計(jì)算機(jī)可以包括利用在數(shù)字計(jì)算機(jī)中通常采用的偽算法更容易地對(duì)隨機(jī)過(guò)程建模的固有的隨機(jī)元素。然而，模擬計(jì)算機(jī)可能必須是不合理的復(fù)雜以執(zhí)行復(fù)雜的仿真。此外，傳統(tǒng)的模擬計(jì)算機(jī)不能容易地重新配置以解答多種類(lèi)型的問(wèn)題或問(wèn)題的變化。例如，配置執(zhí)行仿真的傳統(tǒng)模擬計(jì)算機(jī)可以包括將大量的電子組件組合接線成預(yù)定構(gòu)造以解決特定的問(wèn)題。

擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)(EAC)兼具模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有的EAC包括導(dǎo)電材料如通常用于包裝電子儀器的防靜電導(dǎo)電泡沫或凝膠以及兩個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體或接合于導(dǎo)電材料的“引腳”。每個(gè)引腳可以充當(dāng)電流的輸入(源)或輸出(匯)。電流通過(guò)導(dǎo)電材料從輸入引腳流到輸出引腳。在典型的實(shí)施方式中，許多引腳布置在導(dǎo)電體和外部控制器(其可以是數(shù)字計(jì)算機(jī))中，并且選擇性地施加電信號(hào)到一些引腳作為源，然后監(jiān)視流到一個(gè)或更多個(gè)匯引腳的相應(yīng)電流。引腳的空間取向和施加到源引腳的所選電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電材料產(chǎn)生穩(wěn)恒電流密度流形。源引腳的選擇性激活和匯引腳的監(jiān)視使包括微分方程和分段線性函數(shù)的廣泛的數(shù)學(xué)關(guān)系能夠建模。不同于傳統(tǒng)的模擬計(jì)算機(jī)，EAC通過(guò)使用機(jī)電或固態(tài)開(kāi)關(guān)選擇源引腳和匯引腳的不同布置來(lái)快速重新配置。

盡管EAC可以快速執(zhí)行各種任務(wù)，但是在信號(hào)處理領(lǐng)域以及更一般的處理時(shí)變的輸入信號(hào)的領(lǐng)域中，現(xiàn)有的EAC設(shè)計(jì)有局限性。例如，自適應(yīng)信號(hào)濾波在濾波動(dòng)態(tài)地變化以從電磁信號(hào)中去除噪聲的信號(hào)處理中是常規(guī)任務(wù)。通常情況下，電磁信號(hào)和噪聲隨時(shí)間變化，亦即，輸入信號(hào)的值隨時(shí)間而改變。在傳統(tǒng)的EAC中，電流在EAC的導(dǎo)電材料內(nèi)的源極與漏極之間流動(dòng)時(shí)，時(shí)變輸入信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)。因此，當(dāng)EAC產(chǎn)生解決方案時(shí)，EAC內(nèi)的電流密度流形變化，從而導(dǎo)致一種不穩(wěn)定的輸出。因而，傳統(tǒng)的EAC在處理包括自適應(yīng)濾波應(yīng)用的時(shí)變輸入信號(hào)時(shí)往往無(wú)效。因此，改善能夠處理時(shí)變輸入的EAC是有益的。

發(fā)明內(nèi)容