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l’analogico è morto, viva l’analogico (che sta tornando)

I computer sono stati digitali per oltre mezzo secolo, eppure l’analogico riscuote sempre più interesse e sul mercato arrivano nuovi modelli

Quando una vecchia tecnologia muore, di solito, resta tale. Al netto di un interesse per il vintage, nessuno si aspetta che i telefoni a disco o le calcolatrici tornino dall’oblio nel quale sono caduti. Floppy disk, le cassette VHS, la tv a tubo catodico, possono riposare in pace: nessuno li richiamerà in vita. O meglio, nessuno penserebbe di farlo.

C’è sempre chi dissente e negli ultimi tempi si è fatta più insistente la possibilità di riportare in vita computer analogici, seppure un forme più avanzate di quelle che ricordiamo. E quel qualcuno è convinto che questo ritorno potrebbe cambiare radicalmente il mondo dell’informatica.

La previsione è riportata in un libro illustrato, “Analog Computing”, ristampato nel 2022, scritto dal matematico tedesco Bernd Ulmann, che sul tema era davvero molto serio.

crediti: Storyset on Freepik

Cos’è un computer analogico

Un computer analogico è un computer che sfrutta fenomeni fisici associati a variabili continue per modellare il problema da risolvere; per esempio si possono usare quantità elettriche, idrauliche o meccaniche. Si distingue dai più diffusi elaboratori digitali che invece operano su rappresentazioni numeriche dei dati.

Un computer analogico (elettronico) può essere caratterizzato come segue:

  • Un computer analogico si basa sulla creazione di un modello che rappresenta il problema da risolvere
  • Sebbene la maggior parte dei computer analogici (elettronici) funzioni con valori (quasi) continui (nella maggior parte dei casi tensioni), questa non è una condizione necessaria per un computer analogico. Ciò che rende un computer analogico un computer analogico è il fatto che assomiglia a un modello (un analogico) per risolvere il problema con il suo aiuto (in effetti c’erano alcune implementazioni digitali di computer analogici, i cosiddetti Analizzatori Differenziali Digitali, DDA per corto)
  • Gli elementi informatici di base di un computer analogico sono estati, integratori, moltiplicatori, generatori di funzioni e comparatori. A seconda del problema da risolvere venivano impiegati anche elementi informatici specializzati come risolutori, dispositivi di ritardo ecc
  • La programmazione di un computer analogico consiste nella trasformazione delle equazioni che descrivono il problema da risolvere in un circuito informatico analogico (essendo un modello). Questo circuito viene poi implementato utilizzando i suddetti elementi di calcolo.

Gli ingegneri iniziarono a usare la parola analogico negli anni ’40, per riferirsi a computer che simulavano le condizioni del mondo reale. Quello che i dispositivi meccanici facevano più o meno da secoli, insomma. Andiamo  indietro nel tempo: 

La macchina di Ancitera

Tracce se ne trovano già nell’antica Grecia: il meccanismo di Anticitera era un macchinario sorprendentemente complesso utilizzato migliaia di anni fa nell’antica Grecia. La Macchina di Anticitera è il più antico calcolatore analogico conosciuto. Progettato per calcolare le posizioni astronomiche, conteneva almeno 30 ingranaggi in bronzo, mostrava i movimenti quotidiani della luna, del sole e di cinque pianeti, prevedendo anche le eclissi solari e lunari e poiché il suo funzionamento meccanico simulava eventi celesti del mondo reale. Datato tra il 100 a.C. e il 150 a.C., è considerato uno dei primi computer analogici.

Sarebbero apparsi dispositivi di complessità paragonabile solo un millennio dopo.

Il planimetro

E’ dell’Ottocento il planimetro, uno strumento che consente la misurazione dell’area di una figura piana disegnata in scala. Lo strumento diventò rapidamente un elemento indispensabile negli uffici immobiliari quando gli acquirenti volevano conoscere la superficie di un pezzo di terreno di forma irregolare, ma era molto usato in tutte le applicazioni tecnico-scientifiche che richiedono la misurazione di un’area irregolare, dalla biomedicina all’ingegneria, fino alla misurazione delle pellicce. 

Vengono tuttora prodotti dei planimetri in cui il meccanismo di misurazione può essere sia tradizionale (meccanico) che elettronico-digitale. Però, negli ultimi anni, il loro uso sta declinando e viene sempre più sostituito da tecniche di grafica computazionale applicata ad immagini digitalizzate

Le soluzioni per scopi militari

Altri dispositivi rispondevano a esigenze militari. L’orientamento della nave, il suo movimento, la sua posizione, la direzione e la velocità del vento erano tutte considerazioni importanti se si era su una nave da guerra e si cercava di puntare un cannone da 16 pollici verso un bersaglio oltre l’orizzonte. Componenti meccanici intelligenti permettevano all’operatore di inserire questi fattori e di regolare il cannone in modo appropriato. Inoltre, ingranaggi, collegamenti, pulegge e leve potevano calcolare le distanze su una mappa o prevedere le maree.

Ancora nella Seconda Guerra Mondiale alcuni sistemi di puntamento per cannoncini e bombe utilizzavano computer analogici

Altri esempi di computer analogico

  • Il Regolo calcolatore è un calcolatore analogico per fare moltiplicazioni e divisioni. È stato inventato attorno al 1620-1630, poco dopo la pubblicazione del concetto di logaritmo, che sta alla base del suo funzionamento
  • L’Analizzatore differenziale è un calcolatore analogico meccanico ideato per risolvere equazioni differenziali, usando ruote e altri meccanismi. Inventato nel 1876, è stato costruito per la prima volta negli anni venti e trenta del secolo successivo
  • Il computer MONIAC, modello idraulico di un’economia nazionale, costruito negli anni cinquanta
  • Heathkit EC-1 erano computer analogici costruiti dalla “Heath Company” negli USA nel 1960
  • D-Wave Systems‘ “Orion quantum computing system”, il primo computer quantistico funzionante che operava come un computer analogico

Un computer analogico è un circuito elettronico nel quale le grandezze del calcolo sono rappresentate dai valori di grandezze fisiche (tensione, frequenza o corrente) continui.

La fascinazione per l’analogico

Quello del calcolo analogico è un paradigma del tutto diverso. Il calcolo analogico è uno dei tre principali paradigmi computazionali (analogico, digitale e quantistico). Mentre l’informatica digitale si avvicina al limite della Legge di Moore, l’informatica analogica offre una strategia per diversificare l’odierna monocultura digitale. Il calcolo analogico è:

  • ideale per la modellazione di sistemi dinamici
  • ideale per applicazioni AI neuromorfiche
  • significativamente più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al calcolo digitale
  • intrinsecamente più sicuro dell’informatica digitale di fronte alle minacce informatiche

Sebbene disponiamo ancora di computer analogici, oggi dominano i computer digitali per diversi motivi, uno dei quali è la loro versatilità.

Mentre i computer analogici sono stati tradizionalmente in grado di eseguire un solo tipo di calcolo, i microchip che svolgono il “lavoro” nei computer digitali di oggi sono programmabili con software per svolgere innumerevoli attività. A differenza dei computer analogici di ieri, questi chip sono anche piccoli, economici e facili da produrre.

Tuttavia, dopo decenni all’ombra dei computer digitali, l’analogico sta facendo un piccolo e silenzioso ritorno poiché i ricercatori vedono il potenziale della tecnologia per risolvere l’incombente problema dell’alimentazione dei sensori, con un piccolo aiuto da parte dell’intelligenza artificiale.

Nei simulatori NASA Apollo, un computer analogico gestisce la fisica di un atterraggio lunare, mentre un computer digitale visualizza i dati I illustrazione: James Provos

Il futuro è un approccio ibrido

Aspinity, azienda americana di microchip con sede a Pittsburgh, è una di quelle che guidano la carica analogica con un microchip programmabile chiamato AML100. L’idea di Aspinity è che l’AML100 possa fungere da intermediario tra il mondo reale e i sensori intelligenti che utilizziamo oggi

Proprio come i sensori dei nostri telefoni, automobili e altri dispositivi tecnologici, questo microchip può ricevere continuamente dati dal mondo reale, come suoni o movimenti. Può anche essere programmato per rilevare qualcosa di specifico, come il suono delle parole che pronunciamo al risveglio o quelle di un’assistente AI.

Aspinity non è l’unica azienda che esplora il potenziale del calcolo analogico per contribuire a risolvere il problema energetico dei sensori intelligenti di domani. Nel 2022, IBM ha presentato un prototipo di un chip analogico a basso consumo progettato specificamente per il riconoscimento vocale: era in grado di rilevare 12 parole più rapidamente e con la stessa precisione di un sistema digitale.

Nel novembre dell’anno successivo, un team dell’Università Tsinghuan, in Cina, ha presentato un chip analogico per attività di visione artificiale, come il rilevamento di oggetti. Di fatto, il team ha massimizzato i vantaggi della luce e dell’elettricità con segnali completamente analogici, evitando gli svantaggi della conversione da analogico a digitale e rompendo il collo di bottiglia del consumo energetico e della velocità”, come hanno dichiarato suoi rappresentanti.

Ma il vero ambasciatore del ritorno dell‘analog computing è Yannis Tsividis, professore di ingegneria elettronica alla Columbia University, che ha esplorato il potenziale della combinazione di sistemi analogici con la tecnologia moderna sin dalla fine degli anni ’90. Come è successo più volte negli ultimi due decenni, la mancanza di fondi lo ha costretto a sospendere la sua ricerca sull’informatica analogica, ma è ancora convinto del suo potenziale e nel marzo 2023, in una bella intervista a Wired, si era dichiarato  pronto a riprendere il suo lavoro, se fossero arrivati i finanziamenti.

“Le persone si chiedono perché lo facciamo ora che tutto è digitale. Dicono che il digitale è il futuro, e ovviamente è il futuro. Ma il mondo fisico è analogico e tra i due mondi c’è bisogno di un’interfaccia. È qui che si inserisce l’analog computing”.

– Yannis Tsividis, Edwin Howard Armstrong Professor of Electrical Engineering, Columbia University

L’interfaccia che cerchiamo: THAT?

Nell’era digitale, il concetto di calcolo analogico potrebbe sembrare obsoleto, ma il “THAT”, acronimo di The Analog Thing, sta cercando di rivoluzionare questa percezione. Questo dispositivo, offerto dalla startup Anabrid a un prezzo assolutamente competitivo – poco più di 500 dollari –  è un esempio di come i vecchi metodi possano trovare nuova vita nell’innovazione moderna.

THAT I foto: Anabrid

Simile agli antichi computer analogici, THAT è programmato collegando elementi che eseguono funzioni matematiche. Nonostante le sue dimensioni ridotte, con otto potenziometri e cinque integratori, è possibile collegare più unità THAT per aumentare la potenza di elaborazione e interfacciarlo facilmente con computer digitali.

E’ possibile configurare e utilizzare THAT per simulare spirali di Eulero e modelli neurali, evidenziando come la manipolazione fisica dei parametri attraverso i potenziometri offre un’esperienza d’uso distintiva e tangibile. Il culmine dell’esperienza è ’utilizzare THAT per giocare una versione analogica del simulatore del lander lunare, che dimostra come il calcolo analogico possa ancora offrire, oggi, una piattaforma più che valida per l’esplorazione e l’apprendimento scientifico.

fonti: Elettronica In I Wired I Freethink

immagine di copertina: Anabrid

autrice: Barbara Marcotulli


 

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