用模擬計算回到未來

Octavo系統(tǒng)工程副總裁Gene Frantz解釋：這有兩個重要的原因。

“首先，IC技術(shù)在過去50年里取得了進(jìn)步，使得許多原本不可能或不切實際的事情現(xiàn)在變得非常可行，” “其次，我們發(fā)現(xiàn)了一些值得解決的新問題，這些問題的數(shù)字解決方案并不足以解決——具體來說，這就需要更高的性能，同時還要顯著降低功耗。”

隨著摩爾定律接近尾聲，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏惺艿綄Φ凸暮透咝阅艿男枨蟆纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載的混合信號處理(MSSP)到使用微分方程的動態(tài)系統(tǒng)仿真，它已經(jīng)引起了人們對模擬計算的新興趣。

回到物理模擬的基礎(chǔ)

為了說明模擬計算最基本的優(yōu)點，考慮處理由一組微分方程描述的模擬信號。由于連續(xù)時間在數(shù)字計算范式中是不存在的，數(shù)字計算機(jī)必須對每個時鐘周期的輸入進(jìn)行采樣，以生成采樣信號。這可能會導(dǎo)致大量的計算，這會帶來更高的延遲、更大的功耗等連鎖效應(yīng)。

比較一下模擬計算機(jī)的大規(guī)模并行性。模擬計算電路可以配置為基本單元(加法器/減法器、乘法器、積分器、扇出器、非線性函數(shù)等)來求解所討論的微分方程，然后連續(xù)采樣整個輸入信號(圖1)，而不是將輸入分解成連續(xù)的任務(wù)。

模擬計算機(jī)包含積分器、乘法器、函數(shù)發(fā)生器和其他電路塊。連續(xù)時間電路形成能夠產(chǎn)生任意函數(shù)的塊。

模擬計算芯片執(zhí)行微分方程的速度比數(shù)字計算芯片快得多，功耗也低得多。雖然模擬計算機(jī)的缺點是必須根據(jù)你要解的方程的大小來線性地擴(kuò)展系統(tǒng)，但是它們的并行性意味著它們的能力和性能也會得到擴(kuò)展。

我們用有限的基準(zhǔn)支持這些說法。圖2比較了Sendyne的Apollo IC和25 MHz的Texas Instruments MSP430 MCU上求解Van der Pol方程的功耗和時間。

Apollo模擬計算IC與德州儀器MSP430單片機(jī)執(zhí)行范德堡爾方程時的功耗與延時比較

Sendyne Apollo集成電路是一種基于CMOS技術(shù)制造的4x4mm2通用模擬計算機(jī)。該芯片最初由哥倫比亞大學(xué)的一組研究人員開發(fā)，包含16個模擬積分器，使用1v電路產(chǎn)生輸出，僅消耗微焦耳的能量。此外，它還包含專門的ADC，以最小化轉(zhuǎn)換成本。

Sendyne的首席執(zhí)行官John Milios介紹:“如果你處理的是模擬信號，可以跳過從模擬到數(shù)字再回到模擬的步驟，這顯然是優(yōu)勢所在。”有一些特殊的adc基本上不做任何轉(zhuǎn)換或消耗任何能量，除非輸入信號發(fā)生變化，所以你不會有任何重大的能量損失。”

他補(bǔ)充道:“如果你考慮那些需要大量的并行操作以及需要執(zhí)行數(shù)百萬次的復(fù)雜問題，你就會看到一個非常顯著的好處。”