[发明专利]扩展模拟计算机设备

说明书

优先权申明

本申请要求2012年3月5日提交的题为“Extended Analog Computer Apparatus(扩展模拟计算机设备)”的美国临时专利申请第61/606,741号的优先权。本申请还要求2012年8月6日提交的题为“Extended Analog Computer Apparatus(扩展模拟计算机设备)”的美国临时专利申请第61/680,077号的优先权。

技术领域

本公开总体涉及计算设备，更具体地涉及扩展模拟计算设备。

背景技术

现代社会中，计算机用于各种各样的应用。在行话中，术语“计算机”已与数字计算机同义。数字计算机对离散数据(通常为二进制数据)执行数学运算，并且产生离散输出。二进制数据由多个“位”形成，所述“位”可以取通常表示为通/断(on/off)或数值“1”和“0”的两个值中的一个。数字计算机在算法上使用软件处理二进制数据，以使得单一数字计算设备能够执行各种基于不同的算法的计算。数字计算机可以使用各种形式的数模转换器，以生成模拟输出如视觉图形、声音和其它电磁信号。

尽管数字计算机众所周知，但是计算机不一定是数字计算机。在更广泛的定义中，术语“计算机”指的是可以重新配置以解决多个问题的任何物理对象。亦即，计算机可以对于许多不同的“问题”产生“答案”。数字计算机使用一种或更多种算法产生问题的答案，算法是最终产生问题的答案的一系列单独计算。模拟计算机是另一种类型的计算机，其在物理上配置成基于特定的输入而不使用数字计算机一步一步的算法产生“答案”。在模拟计算机的一个已知的例子中，运算放大器(OpAmp)配置在电路中使用两个输入电压产生输出电压。输出电压表示简单计算如两个输入电压的加、减或乘的“答案”。在数字计算机对数据的离散值进行操作时，模拟OpAmp理论上可以接受OpAmp电路的实际工作范围内无限数量的不同的电压电平。在示例模拟计算机中，组件配置和物理法则(在这种情况下法则控制电流如何流过物理OpAmp设备)确定问题的答案。模拟计算机的重新配置可以产生不同问题的答案。

数字计算机和模拟计算机都有优点和缺点。经典的数字计算机通过加载软件并且执行软件中的算法来自身快速重新配置以回答新问题。然而，对于数字计算机某些类型的问题难以在合理的时间量内来解决。例如，用包括偏微分方程和常微分方程的复杂的数学公式建模的物理仿真。复杂的仿真通常可以包括随机元素，其基于本质上观察的随机性以随机过程建模。尽管数字计算机可以在算法上进行仿真，但是包括大量个人数字计算机共同运行的数字计算机，甚至超级计算机的性能在模拟某些现象时往往无效。在一些情况下，模拟计算机可以比数字计算机更有效地执行复杂物理仿真的等效计算。模拟计算机可以包括利用在数字计算机中通常采用的伪算法更容易地对随机过程建模的固有的随机元素。然而，模拟计算机可能必须是不合理的复杂以执行复杂的仿真。此外，传统的模拟计算机不能容易地重新配置以解答多种类型的问题或问题的变化。例如，配置执行仿真的传统模拟计算机可以包括将大量的电子组件组合接线成预定构造以解决特定的问题。

扩展模拟计算机(EAC)兼具模拟计算机和数字计算机的优点。现有的EAC包括导电材料如通常用于包装电子仪器的防静电导电泡沫或凝胶以及两个或更多个导电体或接合于导电材料的“引脚”。每个引脚可以充当电流的输入(源)或输出(汇)。电流通过导电材料从输入引脚流到输出引脚。在典型的实施方式中，许多引脚布置在导电体和外部控制器(其可以是数字计算机)中，并且选择性地施加电信号到一些引脚作为源，然后监视流到一个或更多个汇引脚的相应电流。引脚的空间取向和施加到源引脚的所选电信号通过导电材料产生稳恒电流密度流形。源引脚的选择性激活和汇引脚的监视使包括微分方程和分段线性函数的广泛的数学关系能够建模。不同于传统的模拟计算机，EAC通过使用机电或固态开关选择源引脚和汇引脚的不同布置来快速重新配置。

尽管EAC可以快速执行各种任务，但是在信号处理领域以及更一般的处理时变的输入信号的领域中，现有的EAC设计有局限性。例如，自适应信号滤波在滤波动态地变化以从电磁信号中去除噪声的信号处理中是常规任务。通常情况下，电磁信号和噪声随时间变化，亦即，输入信号的值随时间而改变。在传统的EAC中，电流在EAC的导电材料内的源极与漏极之间流动时，时变输入信号产生波动。因此，当EAC产生解决方案时，EAC内的电流密度流形变化，从而导致一种不稳定的输出。因而，传统的EAC在处理包括自适应滤波应用的时变输入信号时往往无效。因此，改善能够处理时变输入的EAC是有益的。

发明内容