Od ery analogowej do cyfrowej i z powrotem

George Dyson na tegorocznej konferencji OSCON (Open Source Convention) w Portland (Oregon USA), wygłosił przemówienie dotyczące technologii analogowej i cyfrowej, które rozpoczął od cytatu "(...) wiele osób uważa, że łatwiej napisać nowy kod niż zrozumieć stary..." (John von Neumann), następnie przedstawił historię transformacji technologii analogowej w cyfrową.

Po wynalezieniu w XIX wieku żarówki, dość szybko zauważono właściwości pozwalające na budowę lampy elektronowej w XX wieku. Lampa elektronowa z siatką sterującą pozwoliła na sterowanie przepływem prądu przy pomocy napięcia przyłożonego do elektrody sterującej. Szybki (jak na owe czasy) sterowalny element pozwalał na próby dwustanowego wykorzystania elektroniki analogowej do realizacji obliczeń cyfrowych. W XX wieku urządzenia obliczeniowe występowały zarówno w wersji analogowej jak również cyfrowej.
Alan Turing sformalizował zasady obliczeń maszynowych, m.in przedstawiając abstrakcyjny model komputera mogącego realizować dowolne algorytmy (Maszyna Turinga). George Dyson wspomina o filmie "Gra tajemnic" prezentującym próby deszyfrowania komunikatów niemieckiej cyfrowej maszyny szyfrującej Enigma, a także określa jako błędne przedstawienie w filmie cech Alana Turinga. Programowalna maszyna cyfrowa Colossus zbudowana na podstawie prac teoretycznych Alana Turinga także wykorzystywana była do prób deszyfrowania komunikatów wytworzonych z użyciem Maszyny Lorenza.

Autor prezentacji wspomina także o pracach Alana Turinga nad maszynami niedeterministycznymi, które początkowo miały wykonywać określony program następnie ich działanie było niedeterministyczne. Jedna z Maszyn Turinga posiadała generator szumu losowego, Turing uważał że prawdziwie inteligenta maszyna musi popełniać błędy i być niedeterministyczna. John von Neumann zbudował maszynę cyfrową, w której zamiast taśmy proponowanej w Maszynie Turinga zastosował pamięć opartą o dwuwymiarową przestrzeń na ekranach czterdziestu lamp oscyloskopowych. Tak zbudowana pamięć cyfrowa wykorzystująca analogowe komponenty, posiadała pojemność ~5kB. Każda lampa przechowywała matrycę bitów 32x32 bity co dawało 128B. Von Neumann podczas budowy maszyny współpracował z ludźmi z zespołu budującego komputer Eniac.

Autor prezentacji przytoczył słowa Von Neumanna: "(...) natura unika systemów cyfrowych, gdyż analogowe są bardziej niezawodne..."
Zapewne znacie założenia testu Turinga - maszyna, która poprawnie przejdzie ten test może zostać uznana za "myślącą maszynę". Pytanie, czy prawdziwie inteligenta maszyna będzie chciała pozytywnie przejść ten test, czy też będzie oszukiwać, aby nie ujawnić swojej inteligencji.

George Dyson w swojej prezentacji starał się przekonać, że era obliczeń elektronicznych rozpoczęła się w erze analogowej, następnie nastała era cyfrowa natomiast ostatecznie wrócimy do ery analogowej zataczając koło.

Prawdziwie inteligenta maszyna według autora prezentacji nie będzie cyfrowa, oparta o ściśle określone algorytmy tylko bardziej analogowa i niedeterministyczna.



Czy zgadzacie się z tą propozycją, czy przyszłość będzie analogowa?

Osobiście w pierwszej chwili odrzuciłem taki pomysł, mamy porzucić przewidywalne i o określonej precyzji systemy cyfrowe, powrócić do świata analogowo dodawanych, odejmowanych, mnożonych napięć?

Patrząc na temat szerzej, otaczający nas świat jest analogowy, natura także preferuje rozwiązania analogowe. Cyfrowe układy sterujące często muszą wykonywać wiele obliczeń, aby uwzględniać analogowy charakter sterowanych elementów. Podobnie SSN (sztuczne sieci neuronowe), funkcja aktywacji neuronu zwykle jest nieliniowa, co wymaga wielu cyfrowych obliczeń.

W cyfrowym świecie odwzorowujemy wiele cech systemów analogowych. Dodatkowo technika cyfrowa opiera się na analogowych elementach zmuszonych do pracy w cyfrowy sposób. Przykładowo w dyskach SSD SLC w komórce przechowujemy jeden bit (napięcie jest interpretowane jako 0 lub 1). W przypadku dysków SSD MLC lub TLC w komórce może zostać zapisane dwa lub trzy bity, cztery lub osiem analogowe poziomy napięć identyfikowane są jako ciągi bitów. Pamiętacie popularne układy ISD (np.
ISD2560) pozwalające na przechowywanie krótkich nagrań dźwięku (głównie głosu)? Mimo, że komórki pamięci w układach ISD były adresowalne, sam układ miał wiele wspólnego z technologią analogową, mimo że głównie składał się komórek pamięci EEPROM.

W newsach na elektroda.pl znajdziemy informacje o próbach budowy elementów naśladujących analogowe struktury: tranzystory symulują działanie neuronów, IBM stworzył najbardziej skomplikowany chip inspirowany ludzkim mózgiem,
francuskie tranzystory imitują działanie synapsy

Być może przyszłe rozwiązania będą miały więcej wspólnego z właściwościami technologii analogowej niż cyfrowej?

TechEkspert wrote:

Patrząc na temat szerzej, otaczający nas świat jest analogowy

Czy aby na pewno? Fizycy twierdzą że jest skwantowany. Energia w kwantach, materia w cząstkach elementarnych... takie kwantowanie przypomina technikę cyfrową. Tyle że dzieje się to w tak mikroskopowej skali że nam się wydaje że jest nie skwantowany.

TechEkspert wrote:

Dodatkowo technika cyfrowa opiera się na analogowych elementach zmuszonych do pracy w cyfrowy sposób. Przykładowo w dyskach SSD SLC w komórce przechowujemy jeden bit (napięcie jest interpretowane jako 0 lub 1).

Czyżby? Fizycy mówią że w dyskach SSD korzysta się ze zjawiska Fowlera-Nordheima (równanie Fowlera-Nordheima było jednym z pierwszych udanych zastosowań, nowej wówczas, teorii kwantów). Polega ono na emisji elektronu poprzez tunelowanie kwantowo-mechaniczne, zwane tunelowaniem Fowlera-Nordheima.

Jeden kwant, dwa kwanty, trzy kwanty...
Jeden elektron, dwa elektrony, trzy elektrony...
Cyfrowo... nie ma niczego pomiędzy jeden a dwa, nie ma półtora elektrona ani 2π elektronów.

@SQLmaster bardzo ciekawe, skala w jakiej patrzymy na zjawisko może silnie wpływać na to czy uznamy otaczający nas świat za cyfrowy czy też analogowy.

Faktycznie ciężko wyobrazić sobie pół elektronu i w takiej skali można powiedzieć że wszystkie wielkości są skwantowane.

Warto umieścić komentarz pod filmem i zapytać czy świat nie był od zawsze cyfrowy, może uzyskamy ciekawą dyskusję z autorem.

Patrząc "gołym okiem" na otaczający świat, czy też określając cyfrową wartość dla napięcia będącego w określonym przedziale, odbieramy świat jako bardziej analogowy. Może to rzeczywiście kwestia skończonej dokładności naszych przyrządów?

Uznając że świat ma charakter cyfrowy i wszytko jest skwantowane, można dojść do wniosku, że analogowe technologie opierają się na "prawdziwie cyfrowym" świecie posiadającym tak małe wartości "bitu", że nie są dla nas zauważalne. Natomiast "nasze" cyfrowe rozwiązania wydają się wtedy ułomną imitacją otaczającego nas cyfrowego świata.

Jeżeli otaczający nas świat jest faktycznie cyfrowy to wszystko ma skończoną dokładność, jednak nie wiem czy na obecnym poziomie techniki to ograniczenie ma jakiekolwiek znacznie?

Jeżeli uznamy, że wszystko jest cyfrowe to czy istnieją liczby niewymierne? Czy licząc dostatecznie długo wartość PI dotrzemy do ostatniej cyfry lub okaże się, że rozwinięcie dziesiętne PI jest okresowe? ( Inna sprawa, że nie wiadomo czy potrafimy fizycznie zbudować komputer, który będzie mógł prowadzić obliczenia z tak ogromną dokładnością oraz dotrze do jakichkolwiek sensownych wyników w rozsądnym czasie )

Charakter absorpcji dielektrycznej w kondensatorach, ładunek elektryczny elementarny itd - wszystko to jest dowodem na dyskretną naturę otaczającego nas świata...

SQLmaster wrote:

(...)Jeden kwant, dwa kwanty, trzy kwanty...
Jeden elektron, dwa elektrony, trzy elektrony...
Cyfrowo... nie ma niczego pomiędzy jeden a dwa, nie ma półtora elektrona ani 2π elektronów.

Dokładnie, a najlepszym dowodem są poziomy energetyczne elektronów. Nie udało się dotąd zaobserwować elektronu pomiędzy poziomami podczas jego skoku, w jednej chwili jest na jednym poziomie, a w drugiej z niego znika i już jest na następnym, bez przepływu i stanów pośrednich. Brak jakichkolwiek wartości pośrednich jest wywołany przez porcję energii, którą elektron przyjmuje lub oddaje, a ta porcja jest niepodzielna i "cyfrowa".

Powstał ciekawy wątek poboczny, być może ciekawszy od głównego. Idąc tym tokiem rozumowania, nieco upraszając, nawet na nieco wyższym poziomie - atomu płyta gramofonowa może zostać uznana za cyfrową gdyż liczbę możliwych ustawień igły ograniczają wymiary atomu (pomijając że daleko gramofonowi do mikroskopu sił atomowych ).

Tak jak przedstawiliście temat to coś "analogowego" jest tak naprawdę "cyfrowe" tylko o bardzo dużej rozdzielczości kwantyzacji. Pytanie czy dotyczy to wyłącznie materii, czy również czasu? Może czas może być analogowy?

Widzę że pojawił się komentarz (prawdopodobnie od nas) pod filmem, który był źródłem do tego tematu, zobaczymy może wywiąże się dyskusja.

TechEkspert wrote:

Tak jak przedstawiliście temat to coś "analogowego" jest tak naprawdę "cyfrowe" tylko o bardzo dużej rozdzielczości kwantyzacji. Pytanie czy dotyczy to wyłącznie materii, czy również czasu? Może czas może być analogowy?

Czas kojarzy nam się z czymś analogowym bo "upływa". Idąc gdzieś przemieszczamy się z jednego punktu do drugiego w określonym czasie, więc dla naszego pojmowania upływ czasu wydaje się normalny. Jednak wracając do elektronów, one zmieniają poziomy energetyczne bez bez upływu czasu, dokonują skoku jako zdarzenie w którym nasze pojęcie czasu się załamuje. Tu przychodzi z pomocą teoria, że czas jest serią zdarzeń, a my skaczemy między nimi jak te elektrony. Według tej teorii wszystkie wydarzenia istnieją jednocześnie, równolegle i nie ma nic pomiędzy, więc znowu cyfra!
Jeżeli coś pogmatwałem to niech ktoś mnie poprawi, po fłaśnie fróciłem s krilla

Temat bardzo ciekawy do pociągnięcia.

Naukowcy nie są zgodni co do czasu, ale jest tu coś takiego jak czas Plancka, czyli najmniejszy możliwy odcinek czasu, mający sens fizyczny.
Kiedyś czytałem artykuł o tachionach, prawdopodobnie w czasopiśmie Focus, oraz o możliwości podróży "pod prąd" czasu i tam było wyjaśnione (wszystko hipotetycznie) że tak małe cząstki mogłyby nieraz przeskoczyć kilka "ząbków" czasu.

Tylko panowie jeśli mówicie o czasie to jednocześnie trzeba mówić też o przestrzeni, bo jedno z drugim jest powiązane. Zakrzywienia biegu światła przez masywne ciała w kosmosie (soczewkowanie) też mają swój unikalny charakter. Czy krzywa wypadkowa po zakrzywieniu jest krzywą analogową wynikającą z wypadkowych sił czy cyfrową wynikającą z natury kwantu światła? Człowiek póki nie rozwiąże wielu niewiadomych (np zasada nieoznaczoności Heisenberga) nigdy nie dowie się czy świat jest cyfrowy czy analogowy. Nikt nie zaobserwował elektronu który zmienia swój orbital ani tym bardziej nie opisał charakterystyki tego przeskoku. Bo jeśli jest to ruch przyśpieszony to jest to zależność analogowa, cyfrowa byłaby linią.

plumbum22 wrote:

Człowiek póki nie rozwiąże wielu niewiadomych (np zasada nieoznaczoności Heisenberga) nigdy nie dowie się czy świat jest cyfrowy czy analogowy

Zasada nieoznaczoności Heisenberga to nie jest jakaś niewiadoma, wynikła z braku wiedzy. I nie dąży się do jej eliminacji. Jest to doskonale zdefiniowana wiadoma - mówi ona, że taki jest świat, a nie że jeszcze czegoś nie wiemy i zaokrąglamy sobie wyniki. Zasada ta doskonale i matematycznie definiuje w jakim zakresie coś jest nieoznaczone i doskonale potwierdza wyniki eksperymentu. Jeśli uważasz że mechanika kwantowa dąży do eliminacji tej zasady to jesteś w błędzie. Nie. Ona właśnie opiera się o tą zasadę nieoznaczoności.

plumbum22 wrote:

Nikt nie zaobserwował elektronu który zmienia swój orbital ani tym bardziej nie opisał charakterystyki tego przeskoku. Bo jeśli jest to ruch przyśpieszony to jest to zależność analogowa, cyfrowa byłaby linią.

W mechanice kwantowej nie da się dokonać pomiaru w taki sposób. Bo niby jak? To nie jest kuleczka którą obejrzysz w świetle widzialnym pod mikroskopem nie niszcząc warunków eksperymentu. Elektronu nie zaobserwujesz żadnym ze sposobów makroskopowych bo przy takiej próbie albo go nie wykryjesz albo jego wykrycie zdemoluje badaną sytację. Np uderzony fotonem użytym do pomiaru kompletnie zmieni swój stan. Co w wypadku kuleczki nie miało znaczenia tu demoluje obserwowany obiekt.

Możemy obserwować tylko efekty i domyślać się ich przyczyny. Odpowiedź na Twoje pytanie nigdy nie zostanie udzielona inaczej jak teoretycznie. To też jest kolejna wiadoma, która leży u podstaw mechaniki kwantowej.

Niemniej jednak na obecny stan wiedzy nie jest to płynny ruch z orbity na orbitę a tylko kwantowy przeskok tak, by fala de Broigle'a elektronu znów była falą stojącą - patrz postulaty Bohra i fale materii.

Owszem masz rację z tym że zasada nieoznaczoności niekoniecznie jest prawdziwa, moim zdaniem jest to nadal hipoteza potwierdzona badaniami ale człowiek również nie jest na tyle rozwinięty technologicznie aby wprowadzić do ośrodka inne siły lub energie nieznane obecnie. Znaczna część wszechświata to tzw ciemna energia i nikt nie wie co to jest mimo że obserwacje pokazują że ta energia wpływa na znaną nam energię. Tzn możliwe że kiedyś znajdziemy sposób na to aby określić w jakim stanie i w jakim dokładnym położeniu znajduje się elektron wtedy cała fizyka kwantowa będzie musiała przejść lifting, stąd badania w CERNie nad cząstkami elementarnymi. Uważam że świat jest tak skonstruowany, że da się zmierzyć wszystko potrzeba tylko odpowiednich do tego warunków w końcu opis świata jest matematyczny. Możliwe, że kiedyś będziemy mieli warunki na to żeby wykonywać takie pomiary i je wykorzystać. Sama czasoprzestrzeń również nie jest liniowa. Może ulegać odkształceniom, tzn w jednej czasoprzestrzeni czas w różnych punktach może biegnąć szybciej lub wolniej, ale aby to stwierdzić trzeba mieć w zględem jakiegoś punktu odniesienie. W odległych częściach wszechświata materia porusza się z prędkością bliską prędkości światła i występuje zawijanie czasoprzestrzeni. Czy można to opisać cyfrowo? Dlatego uważam że z obecnym stanem wiedzy nie jesteśmy w stanie określić na 100% jaki jest świat.

plumbum22 wrote:

Uważam że świat jest tak skonstruowany, że da się zmierzyć wszystko potrzeba tylko odpowiednich do tego warunków

Tak uważał Einstein, po latach sukcesów poszedł w ślepy zaułek i w końcu dowody na to że jest inaczej były tak przytłaczające, że został dziwakiem nauki.
https://kierul.wordpress.com/2015/05/23/albert-einstein-kaze-bogu-grac-w-kosci-1916/

plumbum22 wrote:

w końcu opis świata jest matematyczny.

Ależ zasada nieoznaczonosci Heisenberga jest bardzo matematyczna. Prawdopodobieństwo w mechanice kwantowej również jest bardzo matematyczne. Po prostu uzywa się innej matematyki ale nadal matematyki - to "chyba" w mechanice kwantowej jest doskonale sprecyzowane. To nie jest chyba, tylko "coś wystąpi z prawdopodobieństwem dokładnie 12,3542820%"

plumbum22 wrote:

Owszem masz rację z tym że zasada nieoznaczoności niekoniecznie jest prawdziwa(...)

Koledze SQLmaster chyba chodziło o to że jest jak najbardziej prawdziwa i fizyka kwantowa po części opiera się na niej.

SQLmaster wrote:

W mechanice kwantowej nie da się dokonać pomiaru w taki sposób. Bo niby jak? To nie jest kuleczka którą obejrzysz w świetle widzialnym pod mikroskopem nie niszcząc warunków eksperymentu. Elektronu nie zaobserwujesz żadnym ze sposobów makroskopowych bo przy takiej próbie albo go nie wykryjesz albo jego wykrycie zdemoluje badaną sytację. Np uderzony fotonem użytym do pomiaru kompletnie zmieni swój stan. Co w wypadku kuleczki nie miało znaczenia tu demoluje obserwowany obiekt.

Jest jeszcze gorzej... Badania dowodzą, że nasze myśli to też energia, więc obserwując obiekty tak małe, że nawet przyrząd pomiarowy zmienia jego stan, może się okazać, że nasze myślenie o nim ma na niego wpływ. Czyli obserwowana cząsteczka znajduje się tam gdzie ją zaobserwowaliśmy bo spodziewaliśmy się ją tam znaleźć, gdyby nie to nie byłoby jej tam, a raczej byłaby wszędzie. Tego typu sprawy połamały teorie Einstein'a, a zasada nieoznaczoności Heisenberga jest zasadą, a nie teorią. Nawet jeżeli wymyślimy jak zmierzyć te najmniejsze obecnie wartości bez wpływu na nie, to zasada ta będzie dalej aktualna, bo to będzie oznaczało że odkryliśmy mniejsze wartości które nam dostarczyły informacje o tej większej.