Deutschlands Top-Innovator, Raphael Laguna der la Vera, setzt auf Analogcomputer. Der Direktor der Agentur für Sprunginnovation in Deutschland (SprinD) hat bereits eine Finanzierung über mehrere Millionen für die Modernisierung des Analogcomputers bereitgestellt. Man reibt sich zunächst verwundert die Augen: Lässt sich die angestrebte „Digitale Souveränität Deutschlands (vielmehr: Europas)“ mit einem Analogcomputer erreichen?
Rafael Laguna de la Vera glaubt an diese Technologie – und damit ist er nicht der Einzige: „Das Thema boomt weltweit und wird als Rettung der KI gehandelt, weil digital die Grenzen erreicht sind. (…) [Hier] „müssen wir uns sehr beeilen, damit uns nicht andere zuvorkommen“. Einige entscheidende Vorteile des Analogcomputers sind etwa: (a) Deutlich robuster, (b) nicht hackbar und (c) deutlich energieeffizienter als gegenwärtig die Künstliche Intelligenz (KI). Sehr bildhaft formuliert das Rafael de la Vera so: Um beispielsweise 88 Milliarden einfache Neuronenmodelle (in einem Künstlichen Netzwerk) zu simulieren, bräuchte ein Digitalcomputer „ein eigenes Kernkraftwerk“, während der Analogrechner so viel Watt benötige wie eine Glühbirne.
Werfen wir einen genaueren Blick auf den Analogrechner.
Wie funktioniert ein Analogcomputer?
Ganz grundsätzlich gilt: Der Analogcomputer ist kein General Purpose Computer. Er eignet sich also nicht als Ersatz eines PC zuhause, mit dem man zukünftig genauso Gaming-Programme laufen lässt wie ein Textverarbeitungsprogramm. Der Analogcomputer ist vielmehr eine Spezialmaschine; und in eben dieser Disziplin bietet diese Technologie gegenüber heutiger Digitaltechnologie deutliche Vorteile. Eben diese Stärken ergeben sich bei der Bearbeitung von Optimierungsproblemen. Denn der Analogcomputer ist ideal geeignet für das Lösen von Differentialgleichungen (DGL). Hierfür sind analytische Lösungen in den meisten Fällen schwierig. Numerische Lösungen meist „hakelig“. Auch in der Vergangenheit wurden Analogrechner bereits eingesetzt für Simulationszwecke oder zur Lösung von Optimierungsproblemen. Zum Beispiel für die Simulation von Flugbahnen von Artilleriegeschossen oder zur Untersuchung von Fragestellungen in der Luft- und Raumfahrttechnik.
Kurzer Rückblick in den Mathematikunterricht: Was ist eine Differentialgleichung? – Es handelt sich um eine mathematische Gleichung, die modellhafte Zusammenhänge und Bedingungen in einer Funktion abbildet. Dabei gibt es eine oder mehrere Variablen, außerdem mathematische Ableitungen dieser Funktion. Die Differentialgleichung beschreibt das Änderungsverhalten dieser Größen. Es gilt: Viele Naturgesetze können mittels Differentialgleichungen formuliert werden.
Beispielhafte Differentialgleichung
Der Analogcomputer basiert also auf Modellbildung – nicht auf Algorithmen (Definition von Algorithmus vergleiche HIER). Und eben dieses Modell wird über analog-elektronische Elemente abgebildet; die Differentialgleichungen werden durch Verkabelung von analog-elektronischen Bauelementen „übersetzt“. Bei jedem Bauteil kann man nun (durch Drehen am sogenannten „Potentiometer“) die Koeffizienten dieser Gleichungen verändern. Die Auswirkungen werden dann etwa graphisch an einem Oszilloskopen dargestellt. So lassen sich Optimalpunkte finden.
Es ist klar, dass jedes neue „Modell“ eine Änderung der „Struktur des Analogcomputers“ erfordert. Man „baut“ über neue Steckverbindungen ein anderes Differentialgleichungssystem auf. Auf den ersten Blick sieht das sehr inflexibel aus. Aber tatsächlich gibt es auch so etwas wie einen analogen Rechner auf einem Chip, wo durch Kreuzschiebeverteiler ein solcher Chip bereits flexibler „programmierbar“ wird. Wirklich interessant wird es, wenn man an hybride Chips denkt: Hier wird die Analoge Technologie mit der Digitalen Technologie zusammengeführt, es werden beispielsweise nicht nur analog-elektronische Bauteile verwendet, sondern auch digitale Elemente.
Nachfolgend ein kurzer Vortrag (ca. 15 min, Deutsch) von Prof. Dr. Bernd Ulmann, der wie kein anderer die Analogtechnologie kennt und propagiert. Der Informatiker beherbergt übrigens privat die größte Analogrechner-Sammlung der Welt. Sein Vortrag stammt zwar aus dem Jahr 2015, hat aber nichts an Aktualität eingebüßt. Im Gegenteil. Vortragstitel: Analogrechner im 21. Jahrhundert:
Was sind die Vorteile eines Analogcomputers?
Einige der Vorteile wurden bereits in der Einleitung erwähnt. Hier nochmal der Vollständigkeit halber: (1.) Deutlich robuster, (2.) nicht hackbar und (3.) deutlich energieeffizienter als gegenwärtig die Künstliche Intelligenz (KI)
Der Analogcomputer erlaubt zudem einen deutlich (4.) höheren Grad an Parallelität. Berechnungsprozesse in einem speicherprogrammierten digitalen Programm stoßen an Grenzen. Hierfür gibt es das sogenannte Amdahl’sche Gesetz: „Die Beschleunigung eines Programms durch Parallelisierung ist dadurch begrenzt, wie viel des Programms parallelisiert werden kann. Wenn z. B. 90 % des Programms parallelisiert werden können, beträgt die theoretische maximale Beschleunigung durch Parallelisierung das Zehnfache, unabhängig davon, wie viele Prozessoren verwendet werden.“. Eine solche Begrenzung gilt für den Analogcomputer nicht.
Des weiteren weist Prof. Dr. Ulmann in seinem Vortrag darauf hin, dass ihm mindestens ein Automobilunternehmen bekannt sei, das den Einsatz von Analogrechnern für die Getriebesteuerung prüfe bzw. in diese Richtung entwickle. Denn Digitalsteuerungen seien sehr kompliziert geworden; daraus ergibt sich die Risikoproblematik, aber ebenso eine schwierige Wartbarkeit. Demgegenüber ist der Analogcomputer (5.) einfach zu warten und weise einen langen Lebenszyklus auf.
Wo lässt sich der Analogcomputer einsetzen?
Sehr große Rechenkapazitäten werden gegenwärtig von der Finanzindustrie genutzt, um Risikoszenarien zu berechnen, Simulationen für Anlagestrategien und derlei mehr. Dabei kommen sogenannte Monte-Carlo-Simulationen zum Einsatz, die Eingangsszenarien unter zahlreichen verschiedenen Annahmen durchrechnen. Aus mathematischer Sicht handelt es sich um stochastische Differentialgleichungen, so dass hierfür der Analogcomputer ideal geeignet ist.
Ein weiteres Einsatzszenario sind Hardware-in-the-Loop Szenarien (HIL). Dabei geht es um Digitale Regelstrecken, zum Beispiel in der Automobilindustrie oder der Maschinenbauindustrie. Hierbei vermeidet man gleichzeitig Komplikationen aus dem Einsatz von A/D- und D/A-Wandlern (Wandlung von analogen in digitale Signale und umgekehrt).
Ganz grundsätzlich lässt sich der Analogcomputer für die Simulation einsetzen. Ein analog-digitaler Chip (hybrider Chip) kann zukünftig auch in Autonomen Fahrzeugen oder in Mobiltelefonen zum Einsatz kommen. Auch im Bereich Maschinenlernen lässt sich analoge Technologie einsetzen.
