アナログ計算機

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九元連立方程式求解機(国立科学博物館

アナログ計算機アナログ・コンピュータ/analogue computer/calculator)は、実質が汎用の「微分方程式解析表示装置」として真空管式演算増幅器で量産商品化されて研究機関、教育機関に広く普及し、多くの書籍も出されたものが主である。物理現象を方程式に表してその物理量を電圧に対応させて入力、演算結果を出力するもので、非線形関数も実現できたので、自動車設計など実際の製品の運動方程式や電気回路の過渡現象解析に重用された。(参照→電子式アナログコンピュータ

歴史的には連立方程式を解くなど様々研究試作されているが、汎用商品として量産され、実用されて多くの書籍が出版されたものは「微分方程式解析表示装置」だった。その大量普及でアナログ計算機の概念が整理されて、遡って「計算尺はアナログ計算器」といった分類がされるようになった。

アナログ計算器は、長さ、トルク(力)、電流・電圧などの物理量により実数値を表現し、そういった物理量を別の物理量に写像するように物理現象を組み合わせて演算を実現して、問題を解くために使用される計算機である[1]。用途が固定された完全な専用計算機も多いが、たとえば対象を連立方程式や微分方程式にモデル化しその方程式を解く、というようなある程度の汎用性のある計算機もある。入力値と出力値にアナログ値を用いる。そのため計算結果の精度に対して計算を実現する装置の精度による制約が掛かる(これをダイナミックレンジという)。一般に計算が高速で精度は低く、リアルタイム性を最優先するシステムに適する。例として計算尺はアナログ計算機(器)だが、そろばんはディジタル計算機(器)である。ディジタル計算機についてはコンピュータの項などを参照のこと。

アナログ計算機の歴史[編集]

ルクソール神殿に残るオベリスク。オベリスクは日時計の役割も果たしていた[2]
  • 1953年頃 - 日本に紹介され、真空管を演算増幅器に使った、量産工業製品としての電子式アナログ計算機を電機各社が生産開始。

以降、「微分方程式解析表示装置」としてのアナログ計算機の解説書が多数出版され、工業高等専門学校や大学の学部の授業でも取り上げられたことで圧倒的な主流となる。

この普及と共に遡及した理論整理が行われて機械式微分解析機とか広く一般に普及した計算尺などがアナログ計算機の例とされるようになった。

  • 1963年 - ヒース社が教育用アナログコンピュータ組み立てキットHeathkit EC-1を製作販売、「無線と実験」誌グラビアで紹介。

デジタル・コンピュータの普及で、網羅的な模擬実験が出来るようになり、条件が手動設定のアナログ計算機は自然消滅となっている。

しかし、計測制御バスHPIB(=GPIB/IEEE488)などの普及で網羅的な模擬実験も可能な環境もできてきたので教育用のハイブリッドコンピュータとして復活できる芽もある。

アナログ計算機の分類[編集]

機械式アナログ計算機[編集]

アンティキティラ島の機械(紀元前150-100年頃)
アストロラーベ(1208年、ペルシア)

機械式ディジタル計算機については機械式計算機を参照。

紀元前3500年頃、影を利用して視太陽時を計測する日時計が古代エジプトで使われていた。オベリスク(方尖塔)もまた、日時計の役割を果たしていた[2]。 起源はさらにその前の古代バビロニアにさかのぼると考えられている。

紀元前16世紀頃のバビロニア古代エジプトには、水時計が既に存在していたことが知られている。またインド中国でも古くから存在していた。

記録に残っている歴史上最も古い天球儀は、紀元前255年古代ギリシアエラトステネスが作ったものに遡る。

デレク・J・デ・ソーラ・プライス英語版によれば、アンティキティラ島の機械は天体運行を計算するために作られた古代ギリシアの機械式太陽系儀である。クランク(現在は失われている)を回転させると、機構が太陽やその他の天体の位置を天動説に基づいて計算する[3]。1901年にアンティキティラの沈没船から回収された。紀元前150-100年に製作されたと考えられている[4]。このような複雑さの機械が再び登場するのは、千数百年以上後の時代になってからのことである。

天球儀は中国でも紀元前1世紀から独自に発展してきた。2世紀の天文学者である張衡は、世界で初めて天球儀に動力を導入している。

4-18世紀頃、イスラムとヨーロッパの天文学では、アストロラーベが天体観測用の機器として用いられた。アストロラーベを発明したのはヒッパルコスと言われることが多く、紀元前2世紀から1世紀のこととされる。用途は多岐にわたり、太陽惑星恒星の位置測定および予測、ある経度と現地時刻の変換、測量三角測量天宮図の作成などに使用された。アブー・ライハーン・アル・ビールーニーは1000年ごろ、世界初の歯車式太陰太陽暦アストロラーベを発明している[5][6][7][8]。1235年には、エスファハーンのアビ・バクルが歯車による計算機構を備えたアストロラーベを発明した[9]

計算尺は、基本原理は固定尺と滑尺という2本の直線ないし円周の長さにより加算を行う器具であるが、対数目盛を利用して「加算により乗算を行う」ことができる。対数は1614年にスコットランドのジョン・ネイピアによって発表され、その6年後にイギリスのガンターが対数尺を考案した。ただしガンターのそれは、長さが幾何的に配置されコンパスを利用して2つの目盛の長さを加減するもので、現在の形式の計算尺、つまり複数の尺をずらして計算する形の計算尺は、1632年にウィリアム・オートレッドにより発明された。便宜のため、通常の対数目盛の他、三角関数等の数種の関数値の対数目盛や、理工学・技術の各専門分野で使う関数の目盛が付けられたものもある。

微分解析機積分によって微分方程式を解くよう設計された機械式アナログ計算機で、回転軸と円板を使って積分を行う。1876年、ケルヴィン卿の兄ジェームズ・トムソンによって発明された。1927年からH・W・ニーマンとヴァネヴァー・ブッシュMITで実用版の製作を開始し、1931年に詳細な報告書を出している。日本では同様の機械は3例が知られており、1セットが東京理科大学近代科学資料館に保存されていた。同館の機械は2013年から2014年にかけ動態とするための復元プロジェクトが進められ、2015年現在動態展示と周辺装置の整備などが行われている。

東京帝国大学航空研究所が1944年頃、製作した九元連立方程式求解機(国立科学博物館の展示)

1936年には、ジョン・ウィルバーが連立方程式求解機を完成させた。ウィルバーのものは9元までの連立方程式の数値解が得られるもので、世界で数台の同種の機械が製作されたとされている。日本で製作されたものが唯一の現存機とされ、国立科学博物館で常設展示されている。2008年度「情報処理技術遺産」認定[10]。(2015年現在、動態ではない)

20世紀前半には、射撃指揮装置と呼ばれた射撃管制専用のアナログ計算機も作られ、実戦で使われた。

1947年、物理学者エンリコ・フェルミは中性子に関する研究のためにアナログ計算機FERMIAC英語版を開発した[11]

電子式アナログ計算機[編集]

ポーランド製アナログコンピュータ AKAT-1英語版


日本では「電子式計算機を指してコンピュータとする」ということがあるため[12]、電子式アナログ計算機を「アナログコンピュータ」とすることがある。以降の節では主としてこの電子式アナログ計算機(ないしアナログ電子式計算機)すなわちアナログコンピュータについて述べる。

ヒースキットEC-1アナログ計算機
MRK過渡現象解析@アナログ計算機
ミラー積分回路

アナログコンピュータは、演算増幅器、コンデンサー、抵抗、ポテンショメーター、ダイオードなどを用いて、積分器、加算器、符号反転器、係数器あるいは乗算器、非線形函数発生器などの演算要素を構成して、これを組み合わせて方程式を構成、初期条件を与えて解を求めるもので、微分方程式を解くのに多く用いられる。多くの場合、反転増幅器と抵抗、コンデンサーを用いて加算器兼符号反転ミラー積分器を構成する。

演算結果の表示器として、ペン書き記録計を利用するものを「低速型」、オシロスコープなどCRTに繰り返し描画させるものを「高速型」「繰り返し型」と呼んだ。CRT表示ではちらつき回避に毎秒25回程度以上の繰り返しが必要となり、その繰り返し時間より長時間の現象は時間軸変換をして演算表示させた。

機械系、電気系を問わず物理現象を方程式に現して座標軸換算を行いアナログ計算機に方程式をセットして演算を行い、その結果を元の物理量に引き直して読み取るものである。実用上、演算増幅器の使用可能周波数範囲が広く取れないので、高域特性を求められる微分器を汎用に用いることはなく、微分方程式は積分器を使うよう式展開して使うのが普通である。

【 参照→電子式 アナログコンピュータ


質量・バネを使ったシステムを考えてみよう。物理的にシステムを作るには、まずバネ・おもりを接続して適当な定着装置で固定し、適当な入力範囲に対応できる試験装置をつけて、最後に実測する。 電気的に等価なものは、増幅装置(オペアンプ)と受動線形部品で構成できる。回路内では、質量にあたるものはポテンショメータで調節できる。このような電気的システムは、物理システムの類推であることからアナログコンピュータと呼ばれる。

これらは条件毎に現物を試作して確かめるよりも安価、安全に構築でき、簡単に変更可能で網羅的な条件で模擬的な検討が可能となる。また電子回路はシミュレート対象の機械系システムよりも高速に動作することが多いため、シミュレーションは実時間以上に高速化され、即座に結果が得られる。欠点はダイナミックレンジ(最大出力/雑音レベル)によって変数の範囲が限られることである。

連立方程式求解機の原理は、そのままオペアンプにより電気回路(電子回路)に置き換えることができる。また、微分解析機のような微積分にはキャパシタンスやインダクタンスが利用できる(精度は相対的なものもあり課題次第である)。


なお、ディジタル計算機であるが、微分解析機の原理をそのままディジタル化し専用の電子機器としたものがDDA(en:Digital differential analyzer)である。DDAは汎用ディジタルコンピュータにプログラム(ソフトウェア)で実装することもある。

エレクトロニクスを利用したディジタルコンピュータは1940年代に誕生したが、本格的に成長したのは1960年代であり、1950年代にはアナログによるものも多く作られた。以下にそれらをだいたい時間順に挙げる。

カリフォルニア工科大学のギルバート・D・マッキャン、チャールズ・H・ウィルツ、バート・N・ロカンシー英語版が "Direct Analogy Electric Analog Computer" を作り、それを使ったサービスを事業化するため1950年 Computer Engineering Associates を創業した[13]

1950年、力学系の解析・設計用のアナログコンピュータ Cyclone が作られた[14]

1951年、電子回路などでニューラルネットワークをアナログ的に実装した SNARC(en:Stochastic neural analog reinforcement calculator)を、マービン・ミンスキーと Dean Edmonds が作った。

1952年、RCAがアナログコンピュータ Typhoon を作った。真空管4000本、ダイヤル100個、プログラミング(配線)用コネクタ6000個などで構成されている[15]

1958年、アナログコンピュータを使った(コンピュータ)ゲーム Tennis for Two が作られた。

1963年、ヒースキットは199ドルの教育用繰り返し型アナログコンピュータ EC-1 を発売した[16]。これは、演算増幅器オペアンプ9基を含む部品をパッチコードで配線して使用する形のものであるが、オペアンプが9基あるので2階の微分方程式2組の連立を構成可能で、減衰振動解、臨界制動、過制動解、単振動解(正弦波発生)、2重振り子(結合共振回路)などを見ることができた。主構成としては、5極3極管である6U8単管で演算増幅器を構成、双2極管6AL5で待機時の電位クランプを行い、マルチバイブレター発振器により交流電源周波数前後で演算を繰り返すものだったから、機械系解析では特に時間軸スケール変換が必須だった。[17]

コンピュータグラフィックスのためのアナログ専用計算機と言える、スキャニメイトのような例もある。

ハイブリッドコンピュータ[編集]

ディジタルコンピュータとアナログコンピュータの組合せは、ハイブリッドコンピュータの代表例のひとつである[18]。ハイブリッドコンピュータは正確だが精度の低い「シード」値をアナログコンピュータで生成し、それをディジタルコンピュータの反復プロセスに入力して必要な精度を得る。3 - 4桁の高正確度なシード値を用いることで、反復回数が劇的に低減され、結果として必要な精度の計算にかかる時間が低減される。また精度がそれほど重要でない場合、非線形の微分方程式を解くのにアナログコンピュータを使うようなハイブリッドコンピュータも存在する。いずれにしてもハイブリッドコンピュータは特定の種類の問題を解くにあたり、ディジタルコンピュータより遥かに高速で、アナログコンピュータより遥かに正確である。ゆえにリアルタイム性と正確性の両方が要求される分野に適している(例えばフェーズドアレイレーダーや気象など)。

ポーランドのアナログコンピュータ ELWAT

アナログコンピュータの機構[編集]

アナログコンピュータでの計算は、抵抗・電圧などを測定することでなされることが多い。1例として電流を利用した2数の加算を説明する。まず、2つの可変電流源を用意する。第1の値は第1の電流源を調整することで設定される(つまり x mAに設定)。そして第2の値に第2電流源を設定する(y mA)。これを並列接続してほどほどの抵抗値の抵抗器に接続し、抵抗器の反対側を接地とすれば、抵抗器に x+y mA の電流が流れる(キルヒホッフの法則参照)。

電気の属性を使ってアナログコンピュータを構築するのは、計算が実時間(実際にはオペアンプのゲイン帯域幅で制限される)で行われ、ディジタルコンピュータのような遅延が生じないためである。この特性を使うとディジタルコンピュータにはやや難しい積分の計算なども簡単にできる。積分はコンデンサーを使って電流(時間の関数としての電荷)を積分した電圧に変換することで計算する。

非線形関数とその計算は関数発生器(ダイオードPN接合指数関数特性や単方向特性))・FETスイッチとして)・ツェナーダイオードと抵抗器・コンデンサー・コイル(ただしインダクタはシミュレートできるので、アナログコンピュータでコイルが直接使われることは稀である)を様々に組み合わせた装置)である程度の精度で実施できる。例えば電流をダイオードで対数の電圧に変換できる。これを利用して電流を対数の電圧に変換して加・減算し、ダイオードで逆対数変換することにより乗・除算できる。ダイオードの単方向特性を利用して絶対値を計算したり、FETをスイッチとして使いキャパシタに電荷を蓄積・保持させることで電圧を一定時間保持させたり最大・最小値を求めたりすることが出来る。ツェナーダイオードなどで電圧を制限した正帰還増幅器でヒステリシス特性を作ることもできる。

表面張力によりシャボン膜は自然に極小曲面になる。

計算可能な物理プロセスは、アナログコンピュータとして利用できる。たとえばアナログ計算の概念を示すものとして、スパゲッティをソートすべき数値の集まりとみなしたり(スパゲッティソート(en:Spaghetti sort))、ゴムバンドを点の集合の凸包を探すのに使ったり、シャボン膜を極小曲面en:Minimal surface)を求めるのに使ったりといったことが挙げられる。

ある系をアナログコンピュータと呼ぶには、要求する数値が全て計測されうる事が必要である。例えば、風洞による実験を全ての状況に置いてアナログコンピュータと言い張るには無理がある。理由は、マッハ数レイノルズ数等の数値は風洞実験における計測値を元に算出される値だからである。マッハ数やレイノルズ数を解として要求するならば、その解を直接計測出来る系を別途作る必要がある。

アナログコンピュータの部品[編集]

Newmark アナログコンピュータ (1960)。5つの装置で構成されており、微分方程式を解くのに使われた。ケンブリッジ技術博物館にある。

アナログコンピュータは複雑なフレームワークを持つことが多いが、計算に必要な根本的な電子部品は以下のようなものである。

などにより積分器加算器係数器符号反転器、固定関数発生器(折れ線、不感域、飽和、片効き、乗算、対数、遅延)など必要な演算要素を構成して、方程式として組み立てる。

オペアンプの電気的特性から動作範囲の広い微分器は構成困難であり、方程式自体を積分器で構成できるように整理する。

電気を使ったアナログコンピュータで使われる主な数学的な操作は以下の通りである。

限界[編集]

一般に、アナログコンピュータは(理論上ではなく)現実のいくつかの効果によって制限される。アナログ信号は直流成分・交流成分・周波数位相に分解される。これらの成分の現実の特性上の制限によってアナログコンピュータは制限される。その制限としてノイズフロアや半導体部品の非線形性寄生インピーダンス電子の蓄積が有限であることなどが挙げられる。アナログコンピュータに限らずとも、一般に使われている電子回路部品は、そのような入出力特性の範囲内で使われている。このような種々の限界を超えた条件での運用は、アナログコンピュータを故障させる可能性がある。

アナログコンピュータにはCPUクロックの概念はなく、回路に電子を流すだけで計算が完了するため、遅延が殆ど無いという利点がある。しかし、計算の精度や自由度が低いため、特殊な用途以外には既に使われていない。

最近の研究[編集]

ディジタル計算が非常に一般化している一方、アナログ計算に関する研究を行っている研究者は数えるほどしかいない。米国ではジョナサン・ミルズが拡張したアナログコンピュータを使った研究を行っている[19]ハーバード・ロボティクス研究所[20]でもアナログ計算が研究分野となっている。Comdynaというアメリカの企業は今も小型のアナログコンピュータを製造している[21]。Lyric Semiconductor という企業[22]の誤り訂正回路は、アナログの確率的信号を使っている。 DARPAは限られたバッテリー容量から、消費電力の少ないアナログコンピュータに期待し、UPSIDEというプロジェクトに投資した。無人機制御用の画像処理は高い精度を必要としないためである。

実例[編集]

以下は、実際に開発され実用に供されたアナログ計算機の例である。

アナログシンセサイザーは一種のアナログコンピュータとみなすこともできる。その技術にはアナログコンピュータの技術から生まれたものが含まれている。

アメリカ合衆国におけるアナログコンピュータのユーザー協議会として Simulation Council があった。かつては The Society of Modeling and Simulation International という名称でも知られていた。この団体の1952年から1963年までのニューズレターがオンラインで公開されており[24]、当時のアナログコンピュータ事情がうかがえる。

理想のアナログコンピュータ[編集]

理論家は理想のアナログコンピュータを実数計算機と呼ぶ(実数全体を扱えることから、そのように呼ばれる)。それに対してディジタルコンピュータは信号を有限の値に量子化するため、有理数の範囲しか扱えない(無理数は近似的に扱う)。

このような理想的なアナログコンピュータは「理論上」はディジタルコンピュータで扱えない問題も解くことが出来る可能性がある。しかし、実際のアナログコンピュータは理想には程遠い(主にダイナミックレンジの問題)。さらに言えば、無限の時間とメモリを与えられれば、ディジタルコンピュータも実数に関する問題を扱える(たとえば√2 の値を小数で表現しようとすれば無限に続くが、それを無限に計算し続けるプログラム、というものは存在できるから。終わらないものはアルゴリズムではない、と考える場合、これはアルゴリズムではないが)。

参考文献[編集]

  • A.K. Dewdney. "On the Spaghetti Computer and Other Analog Gadgets for Problem Solving", Scientific American, 250(6):19-26, June 1984. Reprinted in The Armchair Universe, by A.K. Dewdney, published by W.H. Freeman & Company (1988), ISBN 0-7167-1939-8.
  • Universiteit van Amsterdam Computer Museum. (2007). Analog Computers.
  • Jackson, Albert S., "Analog Computation". London & New York: McGraw-Hill, 1960. OCLC 230146450
  • 「アナログ計算機入門」長森享三・木地和夫(日本電気)共著1961/03/30オーム社刊
  • 「アナログ計算入門」若山伊三雄著(愛知県立名南工業高校)1962/11/20コロナ社刊
  • 「ラプラス変換演習」小郷寛・佐藤晋平共著(千葉大&阿南工業高専)1962/07/05共立出版刊

脚注[編集]

  1. ^ Universiteit van Amsterdam Computer Museum (2007)
  2. ^ a b Earliest Clocks”. A Walk Through Time. NIST Physics Laboratory. 2008年4月2日閲覧。
  3. ^ Does it favor a Heliocentric, or Geocentric Universe?”. 2009年7月24日閲覧。
  4. ^ “Planetary Gears”. Nature 444: 7119. 
  5. ^ D. De S. Price (1984). "A History of Calculating Machines", IEEE Micro 4 (1), p. 22-52.
  6. ^ Tuncer Oren (2001). "Advances in Computer and Information Sciences: From Abacus to Holonic Agents", Turk J Elec Engin 9 (1), p. 63-70 [64].
  7. ^ Donald Routledge Hill (1985). "Al-Biruni's mechanical calendar", Annals of Science 42, p. 139-163.
  8. ^ G. Wiet, V. Elisseeff, P. Wolff, J. Naudu (1975). History of Mankind, Vol 3: The Great medieval Civilisations, p. 649. George Allen & Unwin Ltd, UNESCO.
  9. ^ Silvio A. Bedini, Francis R. Maddison (1966). "Mechanical Universe: The Astrarium of Giovanni de' Dondi", Transactions of the American Philosophical Society 56 (5), p. 1-69.
  10. ^ http://museum.ipsj.or.jp/heritage/kyugen.html
  11. ^ Metropolis, N. "The Beginning of the Monte Carlo Method." Los Alamos Science, No. 15, p. 125
  12. ^ ENIACをプログラム内蔵方式でないにもかかわらず「世界初のコンピュータ」とする一方で、国産計算機についてはリレー式だった初期のFACOMの存在をスルーして、FUJICを「日本初のコンピュータ」とする、という例が非常に目立つわけだが、電子式であればアーキテクチャとは無関係に「コンピュータ」としている、と解釈すれば筋が通る。
  13. ^ Analog Simulation: Solution of Field Problems
  14. ^ Small, J. S. "The analogue alternative: The electronic analogue computer in Britain and the USA, 1930-1975" Psychology Press, 2001, p. 90
  15. ^ Small, J. S. "The analogue alternative: The electronic analogue computer in Britain and the USA, 1930-1975" Psychology Press, 2001, p. 93
  16. ^ Petersen, Julie K. (2003). Fiber optics illustrated dictionary. CRC Press. p. 441. ISBN 084931349X. 
  17. ^ Heathkit EC - 1 Educational Analog Computer”. Computer History Museum. 2010年5月9日閲覧。
  18. ^ 外部リンク:ハイブリッド計算機PDFファイル、鹿児島大学理学部
  19. ^ Kirchhoff-Lukasiewicz Machines Jonathan Mills
  20. ^ Harvard Robotics Laboratory
  21. ^ Comdyna home page retrieved 2011 Nov 18
  22. ^ Lyric Semiconductor
  23. ^ See also NOAA's description of tide predictors.
  24. ^ Simulation Council newsletter

関連項目[編集]

外部リンク[編集]