Điện toán hiện đại hầu như hoàn toàn là kỹ thuật số. Kho tàng thông tin khổng lồ dưới lòng đất của internet, các thuật toán cung cấp năng lượng cho trí tuệ nhân tạo (AI), và màn hình bạn đang đọc ngay bây giờ đều được điều khiển bởi các mạch điện tử, kiểm soát việc bật và tắt các bit nhị phân 0 và 1. Như ai đó đã từng nói (mở tab mới), chúng ta đang sống trong thời đại kỹ thuật số.

Nhưng vẫn chưa rõ tại sao các hệ thống hoạt động với dữ liệu phân mảnh lại phù hợp để mô hình hóa thế giới tương tự, liên tục của chúng ta, và thực tế, con người đã sử dụng các thiết bị tính toán tương tự trong hàng thiên niên kỷ để hiểu và dự đoán sự hình thành và suy tàn của tự nhiên.

Một trong những máy tính tương tự lâu đời nhất được biết đến là cơ chế Antikythera của Hy Lạp cổ đại, sử dụng hàng chục bánh răng để dự đoán nhật thực và tính toán vị trí của mặt trời và mặt trăng. Thước tính trượt, được phát minh vào thế kỷ 17, thực hiện các phép toán mà một ngày nào đó sẽ đưa con người lên mặt trăng. (Tuy nhiên, bàn tính không được coi là tương tự: "bộ đếm" dạng mô-đun của nó khiến nó trở thành một trong những máy tính kỹ thuật số sớm nhất.) Và vào cuối thế kỷ 19, William Thomson, sau này là Lord Kelvin, đã thiết kế một cỗ máy (mở tab mới) sử dụng trục, tay quay và ròng rọc để mô phỏng ảnh hưởng của các thiên thể lên thủy triều. Các phiên bản sau này của cỗ máy này đã được sử dụng trong những thập kỷ tiếp theo để lập kế hoạch (mở tab mới) cho cuộc đổ bộ D-Day lên các bãi biển Normandy.

Những thiết bị này có điểm chung gì? Chúng đều là các hệ thống vật lý được cấu hình để tuân theo cùng một phương trình toán học làm nền tảng cho các hiện tượng mà bạn muốn hiểu. Ví dụ, máy tính thủy triều của Thomson được lấy cảm hứng từ một tiến bộ toán học thế kỷ 19 đã biến đổi bài toán dự đoán thủy triều thành một biểu thức lượng giác phức tạp. Việc tính toán biểu thức đó bằng tay vừa tốn nhiều công sức lại vừa dễ xảy ra lỗi. Các tay quay và ròng rọc trong máy của Thomson được cấu hình để người dùng xoay theo cách phù hợp với kết quả của biểu thức cần giải.

Công nghệ xử lý tín hiệu tương tự đạt đỉnh cao trong máy phân tích vi phân, được Vannevar Bush chế tạo lần đầu tiên tại Viện Công nghệ Massachusetts vào năm 1931. Máy phân tích này sử dụng một hệ thống bánh răng và trục phức tạp được dẫn động bởi động cơ điện. Nó có thể tính toán nhiều loại phương trình vi phân—các phương trình được sử dụng để mô hình hóa các hiện tượng vật lý—nhưng việc giải các phương trình này đòi hỏi phải thực hiện lại các thao tác thủ công phức tạp.

Khi máy tính kỹ thuật số hiện đại bắt đầu xuất hiện vào cuối những năm 1930, chúng khá cồng kềnh, đắt tiền và chất lượng kém hơn. Nhưng điện toán kỹ thuật số cũng có những ưu điểm riêng. Máy tính kỹ thuật số dễ lập trình hơn và thường chính xác hơn máy tính tương tự. Và với sự phát triển của bóng bán dẫn và những tiến bộ tiếp theo được thúc đẩy bởi Định luật Moore, xử lý kỹ thuật số nhanh chóng thay thế máy tính tương tự.

Nhưng khi thế giới kỹ thuật số phát triển nhanh chóng, chi phí cũng tăng theo. Mỗi lần chuyển đổi bit kỹ thuật số đều tiêu tốn một lượng năng lượng nhỏ, và các hệ thống trí tuệ nhân tạo mới đòi hỏi sức mạnh tính toán khổng lồ. Ví dụ, các báo cáo tin tức đã tiết lộ (mở tab mới) rằng Microsoft và OpenAI đang lên kế hoạch xây dựng một trung tâm dữ liệu trị giá 100 tỷ đô la, sẽ sử dụng khoảng 5 gigawatt năng lượng, tương đương với công suất của năm lò phản ứng hạt nhân.

Xử lý tín hiệu tương tự mang đến một giải pháp thay thế mới. Mạng nơ-ron nhân tạo, nền tảng của các hệ thống trí tuệ nhân tạo, đưa ra dự đoán bằng cách xử lý lặp đi lặp lại các chuỗi phép nhân và phép cộng.

Trong các máy tính tương tự sử dụng tín hiệu điện, chứ không phải bánh răng và ròng rọc, dòng điện có thể chạy qua các mạch sử dụng các điện trở được lựa chọn cẩn thận (mở tab mới) để mô phỏng các hoạt động đó, giúp tiết kiệm một lượng năng lượng đáng kể.

Ưu điểm của điện toán kỹ thuật số là không thể phủ nhận, nhưng nhược điểm cũng vậy. Có lẽ việc quay trở lại với quá khứ của điện toán có thể giúp các nhà nghiên cứu vạch ra một con đường bền vững cho tương lai của điện toán.