Was ist eine realistische Rechengrenze für einen mit einem Handwerkzeug hergestellten mechanischen Computer?

Diese Frage hier warf interessante Punkte darüber auf, welche Art von Verteilung wir für die Zunahme der Rechenleistung mechanischer Computer in einer Welt erwarten könnten, die sich ausschließlich auf solche nichtelektrischen Rechengeräte verlässt. Eine verwandte Frage betrifft die theoretischen Grenzen des mechanischen Rechnens.

Ich frage mich, welche realistischen Rechengrenzen bei mechanischen Computern bei einem bestimmten Maß an mechanischem Fachwissen bestehen - dh wie klein können wir die tatsächlichen Zahnräder / Wellen / Federn / Zahnräder / ... machen?

Was ist die maximale Rechenleistung, die wir von einem mechanischen Computer erwarten können?

Einige Einschränkungen:

  • Nehmen wir an, dass das Maß an mechanischer Expertise das ist, was wir heute in exquisiten (und teuren) mechanischen Uhren sehen - also in der Tat Mechanik in einem Maßstab, den eine Person mit Handwerkzeugen herstellen kann.
  • Als Größenbeschränkung wählen wir die Größe einiger der frühesten großen Computer (vielleicht ähnlich wie ENIAC und Konsorten): Der mechanische Computer muss immer noch in ein mittelgroßes Gebäude passen.

Als Maß für die Rechenleistung interessiere ich mich für FLOPS, also Fließkommaoperationen pro Sekunde, was heutzutage immer noch der Standard zur Messung der Rechenleistung von Clustersystemen ist. Genaue Zahlen wären natürlich vom System abhängig, aber eine grobe Abschätzung der Größenordnung sollte möglich sein. Als Referenz:

  • Z4 erreichte etwa 0,27 FLOPS
  • ENIAC erreichte etwa 500 FLOPS

Bonus: Mich würde ggf. auch die Leistungsaufnahme (in Watt) einer solchen Rechenmaschine interessieren, aber das könnte auch per Hand geschwenkt werden.

Ich denke, dass der Stromverbrauch nicht wirklich ein Bonus ist. Wenn Sie die maximale Leistung wollen, wird sich der praktische Begrenzungsfaktor mit ziemlicher Sicherheit in der Leistungsdichte erweisen. Sie könnten wahrscheinlich eine Art Schätzung erhalten, indem Sie einfach mit einem gleichwertigen elektronischen System vergleichen. Metallkomponenten können höhere Temperaturen aushalten und Wärme besser leiten als Halbleiter, was ein Plus ist. Andererseits wird die Energie pro Rechenbit sehr viel größer sein, da das Bewegen mechanischer Teile mehr Arbeit erfordert als das Umschalten des Zustands eines FET.
Verwandte, möglicherweise ein Duplikat: Wie leistungsfähig könnte ein mechanischer Computer sein?
@aCVn, ich habe die Frage gesehen. Angesichts der oben erwähnten Einschränkungen bin ich mehr an einer "realistischen" / aktuellen / ... Grenze interessiert als an den theoretischen Überlegungen zu dieser Frage. Irgendeine Idee, wie ich meinen Titel ändern könnte, um meine Frage von der anderen zu unterscheiden?
Wenn Sie das mechanische Know-how auf die Uhrmacherei beschränken, schränken Sie sich im Vergleich zu dem, was wir heute mechanisch leisten können, stark ein. Ist das Ihr Ziel? Das heißt, fragen Sie absichtlich nach Mechanik in dieser Größenordnung, die eine Person zu Hause mit Handwerkzeugen herstellen kann? Weil die Uhrmacherei im Vergleich zur MEMS- Technologie, die in jedem Mobiltelefon usw. verwendet wird, grob ist.
@fgysin Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht möglicherweise darin, einfach einen Link zu dieser Frage in Ihrer Frage hinzuzufügen und im Grunde Ihren Kommentar einzufügen.
Sie haben gesehen, dass dies auf eine von Neumann-Maschine beschränkt ist. Ich glaube, dass sich analoge Computer in dieser Welt viel weiter entwickelt hätten. Welche Art von Berechnungen möchten Sie durchführen? Es macht einen Unterschied.
@aCVn Ich habe meine Frage mit dem Link aktualisiert.
@pipe Guter Punkt. Ja, das war absichtlich, ich habe die Frage bearbeitet, um dies klarzustellen.
@chaslyfromUK Entschuldigung, meine CS-Grundlagen sind etwas eingerostet ... Ist eine von Neumann-Maschine Turing nicht vollständig (für nicht unendlich große Drehmaschinen) und kann daher so ziemlich alles berechnen?
Meine alte Antwort spekulierte, dass das Niveau des Atlas von 1962 die Grenze sein würde. Ich weiß nicht, ob dies im Zusammenhang mit dieser Frage ein echtes Problem darstellt, aber das Zuverlässigkeitsproblem wird exponentiell zunehmen, wenn wir versuchen, mechanische Computer schneller zu machen.
Die Frage ist: Warum um alles in der Welt brauchen Sie Gleitkommaoperationen?
@JBH, Entschuldigung, aber das ist nicht wahr. Die Babbage Analytical Engine gilt als Turing-vollständig, siehe hier: en.wikipedia.org/wiki/Analytical_Engine
@JBH, Die Verarbeitungssprache von Babbage Engines wird mit der Assemblierung auf Wikipedia verglichen und gilt als Turing-vollständig. Also, ja, es ist theoretisch möglich, es an die Verarbeitung von Text oder irgendetwas wirklich anzupassen. Dies könnte in Wirklichkeit durch den verfügbaren "Speicher" und die Größe der Anweisungskarten und die verfügbare Ausgabe begrenzt sein - aber meine Frage bezieht sich auch nicht auf die Babbage Engine an sich , sondern auf mechanische Rechengeräte im Allgemeinen - die Babbage Engine dient lediglich als ein Beispiel für vollständige mechanische Turing-Computer.
@JBH Sie sprechen von der Babbage Difference Engine ( en.wikipedia.org/wiki/Difference_engine ) und nicht von der Analytical Engine . Sie sind nicht dasselbe.

Antworten (1)

Die Ausbreitung mechanischer Signale in Festkörper ist grundsätzlich durch die Schallgeschwindigkeit in diesem Festkörper begrenzt.

Vorausgesetzt, die Länge, über die Sie ein mechanisches Signal übertragen möchten, ist also gegeben L und das Signal breitet sich mit Geschwindigkeit aus S Unter Vernachlässigung des Trägheitseffekts können Sie das Signal nicht vorzeitig umschalten T M ich N = L / S , was eine maximale Betriebsfrequenz von ergibt F M A X = 1 / T M ich N = S / L

Auch hier sehen wir, dass die Reduzierung der Dimension der Merkmale eine gute Möglichkeit ist, die Frequenz des Geräts zu erhöhen.

Nur um ein paar Zahlen einzuwerfen, sagen wir, das Gerät ist aus Stahl und die kritische Größe beträgt 1 cm, das bedeutet, dass die maximale Frequenz wäre F M A X = 5900 [ M / S ] / 0,01 [ M ] = 590 k H z

Das Äquivalent in FLOPS zu geben, geht über meine Fähigkeiten hinaus, und ich vermute, die Architektur des Geräts sollte auch bekannt sein.

Etwas verwandt: phys.org/news/… - elektromechanische Rechenelemente. Ich weiß, dass es bei dieser Frage nicht um Elektromechanik geht , aber sie zeigt, wie kleine mechanische Rechenelemente derzeit gebaut werden können. Lustige Tatsache? Es funktioniert bei 500 kHz, ungefähr so ​​​​wie in Ihrer Antwort angegeben.
Zum Vergleich: Ein Zilog Z80 mit 4 MHz war in der Lage, etwa 0,6 MIPS oder vielleicht 0,05 MFLOPS zu erreichen ... Ich habe früher einen solchen Computer verwendet. Mit CP/M und Turbo Pascal!
MOS-Technologie 6502: 0,500 MIPS bei 1 MHz. Wenn Sie sehr schlampige Mathematik verwenden, könnten Sie mit 500 KHz in der Größenordnung von 0,25 MIPS liegen.
Hz ist „Zyklen pro Sekunde“, daher würde die Umwandlung von kHz in FLOPS (Fließkommaoperationen pro Sekunde) erfordern, dass Sie wissen, wie viele Zyklen dieses bestimmte Gerät benötigt, um eine Fließkommaoperation durchzuführen. Sie haben also Recht, dass die Architektur des Geräts eine Notwendigkeit wäre - selbst bei modernen CPUs variiert sie stark
Verstehe ich etwas falsch? Was hat die Schallausbreitung durch einen Festkörper damit zu tun, wie schnell sich ein Zahnrad drehen kann?
@JBH, stellen Sie sich vor, Sie möchten ein Ende einer Welle drehen, indem Sie das andere Ende drehen. Die Rotation breitet sich mit Schallgeschwindigkeit durch die Welle aus.
Wirklich? Ich habe das niemals gewusst! Sie meinen, wenn sich ein Ende einer 343 Meter langen Stange in einer Sekunde um 360 Grad dreht, beendet das andere Ende die Drehung eine Sekunde später? Das ist cool...
@JBH, 343 m / s ist die Schallgeschwindigkeit in Luft. In Stahl sind es 5900 m/s.
Also... das Ende einer 5900 m langen Stahlstange drehen, und eine Sekunde später beginnt sich das andere Ende zu drehen? Trotzdem ... ein Babbage-Motor mit genügend Säulen, um 5,9 km zu bewältigen, würde wahrscheinlich die Nocke durch Drehmoment auseinander reißen, bevor die Schallgeschwindigkeit in Stahlangelegenheiten erreicht wird. Ich liebe es aber.
Was ist eine realistische Rechengrenze für einen mit einem Handwerkzeug hergestellten mechanischen Computer?
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