Il ritorno dall’aldilà dei computer analogici: la storia stupisce ancora

I computer sono digitali da mezzo secolo. Naturalmente. Oggi però l’informatica analogica sta facendo un incredibile ritorno dall’oltretomba.

Perché mai qualcuno dovrebbe voler riportare in auge le obsolete cianfrusaglie del passato L’hardware continua a governare il mondo e a creare il futuro, dai semiconduttori alle telecamere di sicurezza.

La tecnologia passata, in genere, non ha modo di risorgere una volta passata in disuso. Nessuno prevede il ritorno dall’aldilà delle calcolatrici o dei telefoni a rotella. I tubi catodici, le cassette VHS e i floppy disk possono riposare in pace. Nel prossimo futuro, nemmeno i computer analogici obsoleti si troveranno nei data center. Erano macchine enormi, costose, poco precise e difficili da programmare.

Le cose però stanno prendendo una piega diversa. Il mondo dell’informatica cambierà radicalmente e in modo permanente se i computer analogici verranno riportati in auge in versioni notevolmente più moderne rispetto ai loro antenati storici.

La previsione si trova nella prefazione del libro Analog Computing, illustrato in modo accattivante. È stato scritto dal matematico tedesco Bernd Ulmann,  ripubblicato nel 2022.

La tecnologia analogica è pronta al ritorno

Prendiamo la fotografia come esempio calzante del modo in cui il digitale abbia sostituito l’analogico. In una macchina fotografica pre-digitale, i continui cambiamenti di luce producevano reazioni chimiche su un rullo di pellicola, che davano luogo a una rappresentazione analoga della realtà sotto forma di immagine.

In una macchina fotografica contemporanea, invece, le fluttuazioni della luce sono trasformate in valori digitali. Questi vengono poi elaborati dalla CPU della fotocamera e salvati come flusso di 1 e 0, opzionalmente compressi in digitale.

Il termine “analogico” è stato usato per la prima volta dagli ingegneri negli anni ’40 per descrivere i computer che riproducevano situazioni reali. Ma per secoli i dispositivi meccanici hanno svolto essenzialmente gli stessi compiti.

Già migliaia di anni fa, l’antica Grecia utilizzava un’apparecchiatura incredibilmente intricata chiamata meccanismo di Anticitera. Prevedeva le eclissi solari e lunari e rappresentava i moti regolari della luna, del sole e dei cinque pianeti utilizzando almeno 30 ingranaggi di bronzo. È riconosciuto come uno dei primi computer analogici, poiché le sue operazioni meccaniche imitavano i fenomeni astronomici reali.

Nel corso degli anni sono nati dispositivi analogici meccanici per usi più pratici. Una piccola ruota, un albero e un collegamento costituiscono il planimetro, un’innovazione del 1800. L’area di una forma veniva visualizzata su una scala quando si tracciava un puntatore attorno al suo bordo su un pezzo di carta. Quando gli acquirenti cercavano di conoscere l’acro di una proprietà con una forma strana, lo strumento divenne rapidamente una necessità per gli uffici immobiliari.

La tecnologia analogica in campo militare

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.

Per la possibilità che la corrente fluttuante che li attraversa possa essere paragonata al comportamento di fluidi, gas e altri fenomeni del mondo reale, negli anni ’40 furono introdotti componenti elettronici come tubi a vuoto e resistenze. Per esempio, una tensione variabile può rappresentare l’orientamento di una navicella Gemini in un simulatore di volo del 1963 o la velocità di un razzo V2 nazista sparato su Londra.

L’ultimo aspetto era cruciale, poiché la precisione dei computer analogici era costantemente limitata dai loro componenti. Sia che si utilizzassero pellicole chimiche, tubi a vuoto, ruote dentate o qualsiasi altro dispositivo, la precisione era limitata dalle tolleranze di fabbricazione e si degradava nel tempo. L’analogico era sempre basato sul mondo reale, che non era mai veramente accurato.

Le esigenza di precisione delle tecnologie

Un ricercatore ha confrontato il righello che avevo acquistato in cartoleria con un righello del laboratorio di fisica della nostra scuola usando una lente d’ingrandimento. Non erano della stessa lunghezza.

Come è possibile? Per comprenderlo, è utile ripassare un attimo la storia del sistema metrico per saperne di più. Sebbene il metro sia l’unità di misura fondamentale, è stato creato grazie a una strana fusione di nazionalismo e capriccio. Il metro è stato introdotto dalla nuova amministrazione dopo la Rivoluzione Francese nel tentativo di eliminare l’imprecisione dell’ancien régime.

È la distanza longitudinale, moltiplicata per 10 milioni, dall’equatore attraverso Parigi al Polo Nord, secondo l’Accademia delle Scienze francese. Presso gli Archivi Nazionali francesi, il metro è stato solennizzato nel 1799 sotto forma di una barra di platino, simile a un totem religioso. Le copie sono state create, fatte circolare in Europa e nelle Americhe, e poi sono state create copie di copie di copie. A seguito dei problemi di trascrizione prodotti da questa procedura, alla fine mi sono reso conto con angoscia che i regoli di varie fonti possono essere chiaramente diversi.

Qualsiasi misurazione accurata di tempo, temperatura e massa era ostacolata da problemi simili. La conclusione a questo punto è uno. Non ci si poteva aspettare una precisione immacolata nel mondo fisico.

Lyle Bickley, membro fondatore del Computer History Museum di Mountain View, California, ha discusso sulle modalità per ottenere una verifica della realtà. Bickley ha una conoscenza approfondita di tutto ciò che è stato fatto e che viene ancora fatto nel campo dell’elaborazione dei dati, grazie alla sua esperienza pluriennale come testimone esperto in cause sui brevetti.

Bickley ritiene che diverse aziende della Silicon Valley stavano lavorando a tecnologie di chip analogici classificati. Ma per quale motivo? Semplice, consumano poca elettricità. E di questi tempi, la cosa non è per nulla un aspetto di secondaria importanza.

Secondo Bickley, il processo di estrazione di milioni di parole da Internet, ad esempio, utilizzando sistemi di intelligenza artificiale in linguaggio naturale a forza bruta, è incredibilmente avido di energia. Ha affermato che il cervello umano consuma appena 20 watt di energia per funzionare. Tuttavia, l’uso di computer digitali per svolgere lo stesso compito richiede megawatt di potenza. Il digitale “non funziona” in questa applicazione. Non è una mossa saggia da fare.

Digitale vs Analogico

Se prendiamo una pallina e la lasciavo cadere, questa viaggiava sempre più velocemente a causa della gravità. Se la velocità della palla fluttua nel tempo, come si può calcolare la distanza complessiva percorsa? Si potrebbe calcolare la velocità a ogni fermata lungo il percorso, sommare le distanze e dividere il viaggio in secondi, millisecondi o microsecondi. Tuttavia, se il tempo si muovesse effettivamente in incrementi di un minuto, la velocità dovrebbe cambiare istantaneamente da un incremento all’altro. Come è possibile?

In seguito ho scoperto che Isaac Newton e Gottfried Leibniz avevano già affrontato questi problemi. Secondo loro, gli incrementi di velocità si modificano effettivamente. Ma sono infinitamente piccoli.

Quindi, anche se c’erano dei passi, non si trattava di passi veri e propri. A me sembrava un’evasione. Ma Newton e Leibniz costruirono il calcolo su queste dubbie fondamenta. In tal modo hanno permesso a chiunque di prevedere il comportamento di innumerevoli aspetti del mondo che cambiano naturalmente. Il calcolo è un mezzo per rappresentare matematicamente qualsiasi cosa che cambia continuamente come una serie di variazioni infinitamente piccole, come il percorso di una palla che cade.

I computer analogici delle vecchie generazioni sono migliori in alcuni compiti specifici

I computer elettronici analogici di vecchia concezione, spesso chiamati per questo motivo analizzatori differenziali, potevano utilizzare questo tipo di matematica come input. Non appena si impostano alcuni valori con i potenziometri e si collegano i componenti per rappresentare le operazioni di un’equazione, la soluzione può essere vista quasi istantaneamente come una traccia sullo schermo di un oscilloscopio. Forse non era perfettamente preciso, ma avevo imparato con sgomento che nulla era perfetto in questo mondo oscuro.

Un vero e proprio computer analogico in grado di simulare un comportamento così adattabile avrebbe dovuto poter essere prodotto in serie a basso costo, delle dimensioni di un chip di silicio, per essere competitivo. Era stato creato qualcosa del genere? Tornando al libro di Ulmann, possiamo trovare la soluzione solo alla quintultima pagina. Nel 2003, un ricercatore di nome Glenn Cowan ha prodotto un vero dispositivo analogico VLSI (very large-scale integrated circuit). Nonostante le lamentele di Ulmann sul fatto che avesse “capacità limitate”, sembrava autentico.

La difficoltà nell’utilizzo dei chip analogici

L’HCDC funziona benissimo secondo i tecnici. Ma ha un inconveniente: è difficile da usare. Per caso, il progetto è stato scoperto da Sara Achour, una programmatrice di talento del MIT, che lo considerava perfetto per le sue capacità.

Era un’esperta di compilatori, strumenti software che traducono linguaggi di programmazione di alto livello in codice macchina, e poteva fornire un front-end Python più snello per aiutare la programmazione dei chip. Tsividis rispose alla sua richiesta inviandole una delle poche schede di valore inestimabile che erano state realizzate.

La Achour è stata affascinante e coinvolgente nel parlare. Ha raccontato che, dopo aver studiato informatica come passatempo fin dalle scuole medie e aver progettato inizialmente di diventare medico, ha cambiato idea. “Mi sono specializzata nella modellazione matematica dei sistemi biologici”, ha dichiarato.

“Abbiamo modellato la dinamica di geni, proteine e ormoni su macroscala. Stavamo cercando di prevedere cose come i cambiamenti ormonali quando si inietta a qualcuno un particolare farmaco”.

La parola chiave del discorso era “cambiamenti”. Aveva completato il suo compilatore per il chip analogico nel giro di due anni, poiché conosceva perfettamente l’aritmetica necessaria a spiegare i cambiamenti. Ha dichiarato:

“Non ho sviluppato un prodotto entry-level. Tuttavia, ho semplificato la ricerca di implementazioni affidabili del calcolo che si desidera utilizzare. Anche i progettisti di questo tipo di tecnologia trovano difficile programmare. L’agonia è ancora lancinante.”

L’idea di un ex studente di medicina che alleviasse le sofferenze dei progettisti di chip incapaci di utilizzare la loro stessa tecnologia mi attraeva. Tuttavia, cosa ne pensa delle applicazioni? Esistono?

“Sì, ogni volta che si percepisce l’ambiente”, ha detto. Inoltre, grazie alla riconfigurabilità, è possibile riutilizzare lo stesso pezzo di hardware per diversi calcoli. Pertanto, non credo che questo si ridurrà a un modello di nicchia. Quando si interagisce con un sistema analogico, il calcolo analogico ha molto senso. Simile al mondo reale, con tutta la sua cupezza.”

Tornando all’idea di far cadere una palla e al mio interesse nel determinare la distanza percorsa nel tempo: se si trascura la resistenza dell’aria, il calcolo utilizza un’equazione differenziale per risolvere il problema con facilità. La frase corretta da usare in questa situazione è “integrare la velocità rispetto al tempo”.

Ma cosa succede se si tiene conto della resistenza dell’aria? La palla sperimenta una maggiore resistenza dell’aria quando cade rapidamente. Tuttavia, poiché la gravità non cambia, la velocità della palla non aumenta costantemente. Ma diminuisce fino a raggiungere la velocità terminale. Questo può anche essere espresso in un’equazione differenziale. Ma ciò aggiunge maggiore complessità. La situazione diventa più difficile quando si aggiungono altre variabili. Il problema può diventare scoraggiante se c’è un vento contrario, se la palla si scontra con altre palle, se cade in un buco fino al nucleo della Terra, dove la gravità è zero.

Supponiamo di voler utilizzare un computer per replicare la situazione. Per produrre una curva regolare, avrà bisogno di un gran numero di punti dati e dovrà ricalcolare ripetutamente tutti i valori per ogni punto. I calcoli si accumulano, soprattutto se si aggiungono più oggetti. Un processore digitale con forse 100 miliardi di transistor è necessario per elaborare i dati a miliardi di cicli al secondo se ci sono miliardi di oggetti, come in una reazione nucleare a catena o negli stati delle sinapsi in un motore di intelligenza artificiale (AI). Inoltre, il processo di commutazione di ogni transistor produce calore durante ogni ciclo. Il calore residuo diventa anch’esso un problema significativo.