古代也有计算机吗?当然有啦,因为只要文明发展到一定的阶段,就有计算的需求。安提基特拉机械,就是典型的古代模拟计算机。它精密且复杂结构,包含37个互锁的青铜齿轮,使得它能够精准模拟日月运动,甚至提前几十年预测日食和月食。那么,这台机器是如何运作的呢?

这台古代计算机被发现于安提基特拉岛附近的沉船里,经过考察研究,科学家们发现它来源自古希腊文明,诞生时间大概在公元前100年或200年左右,是一种古代的“计算机”。当然,它不能像现代计算机那样工作,而是模拟进行工作,通过齿轮圆盘模拟天体的运动。

举个例子,将机器上的三个轮子相结合,就形成一个模拟计算单元。两侧轮子均可控制中间轮子的旋转结果,而中间轮子不影响两边轮子的旋转,中间轮子旋转的刻度,就代表两边轮子输入变量的总和,那么在这个基础上再增加齿轮数量,就能获得更复杂的计算结果。

而数字计算机的运算原理,就是0和1两个字符的组合,0+0等于0;0+1等于;1+1等于2,这也就是我们所说的二进制。模拟计算机和数字计算机的区别在于:模拟计算机有连续的输入和输出范围,而数字计算机只能处理离散值。在模拟计算机中显示的数量实际上是由一些物理量来表示的,比如一个轮子转动的量;而数字计算机处理的是0和1这样的符号。

几千年来,人们除了使用算盘之类的数字设备外,还使用模拟设备,如安提基色机械装置或计算尺。随着晶体管的出现,数字计算机出现了。现在几乎所有东西都是数字化的,大多数人甚至从未听说过模拟计算机。

但数字计算机也并非最先进的计算方式,因为摩尔定律已经达到极限了,现在的晶体管几乎和原子一样大。与此同时,机器学习方面的进步正在考验数字计算机的能力。解决这些挑战的办法很可能是新一代的模拟计算机。

比如,模仿人的微笑是一个过程,如果运用数字计算机描述这个过程,需要海量的0和1,而模拟计算机就可以轻松地解决这个问题。但是模拟计算机代替数字计算机有些不可逾越的问题。

克劳德·香农曾用自己的硕士论文证明,0和1可以解释一切情况。然而,每台模拟计算机只能模拟一种类型的问题。此外,由于数字计算机的运算单位是1和0,所以它们在面对噪音时更有弹性,将1错当成0需要很大的误差,反之亦然。

而在模拟计算机中,即使是很小的误差也会无限放大,最终淹没信号。所以现在一切都是数字化的。我们的电话、电脑和互联网、数据中心,甚至电视和广播,现在都在以数字形式播放。还记得以前的电视是模拟信号的时候吗?画质不清晰,而如今可以看2K、看4K。

数字信号的好处是显而易见的,由于数字设备是根据符号0和1操作的,它们会提供精确的答案并重复计算,你会得到相同的结果。它们对噪声具有很强的抗性。此外,由于几乎所有计算都只需要少数几个组件,这些组件已经被小型化和模板化,使数字计算机成为理想的通用计算机器。

所以你可能会认为模拟计算机早已不复存在,成为遥远过去的遗迹,但模拟计算机还是可能会卷土重来的。关于模拟计算机的研究,很多初创企业仍然在做。量子计算机、模拟计算机、数字计算机都给人类提供了不同的运算方式。关于模拟计算机,你还想了解什么呢?

#万物为什么#
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小曾博士科普人

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重庆大学博士,大学老师!
乘风计划作者,博士,优质科学领域创作者
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