Protože počítače používají binární čísla

I když by se mohlo zdát pravý opak, počítače nerozumí slovům a číslům tak, jako my. Moderní software je docela dobrý v tom, abychom věřili opaku, ale na nejnižší úrovni v počítači (stejně jako v chytrém telefonu nebo jakémkoli jiném elektronickém zařízení) vše je reprezentováno binárním elektrickým signálem které mohou „existovat“ pouze ve dvou dobře definovaných fyzikálních stavech: zapnutý (v případě, že dojde k průchodu elektrického proudu) nebo vypnuto (pokud není registrován průchod elektrického proudu). Tyto fyzické stavy jsou reprezentovány v počítačovém jazyce prostřednictvím a binární systém který umožňuje procesoru libovolného počítačového systému provádět operace, na kterých je založen moderní software a aplikace.

V okamžiku, kdy čtete tento článek, čipy a tranzistory, které tvoří jednotku pro zpracování dat (CPU nebo GPU) vašeho počítače nebo smartphonu, procházejí nepřetržitým tokem elektronů generovaných baterií (nebo napájecím zdrojem), které určuje vnější chování samotného zařízení (v našem příkladu zobrazení článku o binárních číslech publikovaného Digital Magazine Fastweb.it). O tom, zda se pixely obrazovky zapnou – stejně jako jakákoli jiná funkce zařízení – či nikoli, přesně určí průchod elektronů uvnitř příslušných tranzistorů a způsob, jakým grafické ovladače počítače „interpretují“ binární signály pocházející z grafické karty.

Zbývá tedy pochopit, co je to binární systém, jak funguje a proč na úsvitu moderní výpočetní techniky průkopníci tohoto tématu zvolili tento číselný systém namísto jiných.

Co je to binární systém

Když mluvíme o binárním systému, máme na mysli a základní 2 číselný systém. To znamená, že jsou složeny pouze ze dvou číslic (běžně 0 a 1), které v počítačové řeči odpovídají fyzikálním stavům (zapnuto a vypnuto) tranzistorů, které tvoří různé čipy. S největší pravděpodobností je mnohem známější číselný systém se základnou 10 (nebo desítkový systém). Tato číselná soustava se skládá z deseti číslic (tradičně 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 a 9) a používá jejich kombinace k vytvoření všech představitelných čísel. V desítkové soustavě má ​​každá číslice nalevo od druhé hodnotu 10krát větší hodnotu než číslice napravo (10 má hodnotu desetkrát 1; 100 má hodnotu desetkrát 10 atd.). Binární systém je identický, až na to, že každá číslice má dvojnásobnou hodnotu než ta před ní.

Jak funguje binární systém

Reprezentace čísel ve dvojkové soustavě je alespoň zpočátku o něco složitější, než na co jsme zvyklí. V binární soustavě má ​​číslice na první pozici (nejvíce vpravo) hodnotu 1 v desítkové soustavě; druhá číslice (o jednu pozici dále vlevo než předchozí) má hodnotu 2 v desetinné čárce; třetí číslice je 4; čtvrtá číslice má hodnotu 8 a tak dále, čas od času se zdvojnásobuje. Například binární číslo 1111 je ekvivalentní číslu 15 v desítkové soustavě (to by bylo 8+4+2+1). Pokud k tomuto rovnice přidáme také “0”, dostaneme to s prvními čtyřmi binárními číslicemi je možné reprezentovat prvních 16 čísel desítkové soustavy (0000 odpovídá 0; 0001 odpovídá 1; 0010 odpovídá 2; 0011 odpovídá 3; 0100 odpovídá 4 a tak dále, dokud nedosáhnete 1111=15).

Binární čítač představující desetinná čísla od 0 do 31

Pokud jsou binární číslice (v angličtině binární číslicezkráceně “bit”) se stanou 8 (což v počítačové řeči odpovídá 1 bajtu, nebo ve skutečnosti 8 bitům), desetinné kombinace (a tedy možné stavy elektronického systému počítačů) rostou na 256. , alespoň na Na první pohled se zdá, že binární systém je nejen složitější na pochopení, ale také méně efektivní: zatímco čtyři binární číslice představují 16 různých stavů (od 0 do 15), se 4 desetinnými číslicemi můžete reprezentovat jako až 10 000 různých stavů (od 0 do 9 999).

Protože binární systém

Je přirozené položit si otázku proč zvolit binární systém reprezentující počítačový jazyk? Protože pro počítač, složený z tranzistorů a čipů, je mnohem jednodušší „počítat“ v základu 2 než v základu 10. Na úsvitu moderní výpočetní techniky (hovoříme o období bezprostředně po 2. světové válce) bylo měření a přesné ovládání elektrických signálů bylo mnohem složitější než dnes. Pro průkopníky počítačové vědy (jako Von Neumann nebo Alan Turing) bylo mnohem snazší a rozumnější zhruba rozlišovat mezi „Zapnuto“ a „Vypnuto“ (tj. „0“ a „1“ v binárním kontextu) spíše než mezi mezi nimi deset různých intenzit proudu (měření tehdejšími přístroji prakticky nemožné). To vedlo počítače k ​​reprezentaci číslic a písmen kombinací různých binárních stavů generovaných průchodem (nebo přerušením) elektrického proudu tranzistorem (tj. paměťovou buňkou).

Tento systém ve skutečnosti umožňoval využívat principy tzv Booleovská logika (a jeho hlavní operátory AND, OR, XOR a tak dále) provádět stále složitější operace a instrukce. Tranzistory, které tvoří počítačové čipy (často nazývané brány nebo brányprotože se otevírají nebo zavírají, aby umožnily nebo zabránily průchodu toku elektronů) vezmou dva vstupy a spojí je dohromady, aby provedly jednu z logických operací, aby se získal další vstup, který „doručí“ dalšímu tranzistoru.

Ačkoli uplynulo několik desetiletí, dnešní počítače a chytré telefony také používají stejný systém, založený na booleovské logice a binární matematice, k provádění instrukcí jakéhokoli softwaru, od nejjednoduššího po nejsložitější.

Nebinární výpočty: qubity a laserové paprsky

THE limity Moorova zákona (teoretizoval spoluzakladatel Intel stejného jména, předpovídá, že tranzistory uvnitř čipu se zdvojnásobí každých 18-24 měsíců) vedly inženýry a vědce k hledání alternativních způsobů, které by jim umožnily neustále zlepšovat výkon. procesorů. Jedna z těchto cest vedla k vývoji – v tuto chvíli experimentálnímu – nebinárního počítání. Dva příklady jsou kvantové výpočty a fotonické výpočty.

V prvním případě je základem všeho, co najdeme qubit nebo kvantový bit, schopný za určitých podmínek a s určitými limity současně nabývat více hodnot. Využitím zákonů kvantové fyziky může qubit ve skutečnosti ve stejném okamžiku nabýt jak hodnoty „0“, tak „1“. Je samozřejmé, že toto chování qubitu exponenciálně zesiluje možné kombinace, které mohou vzniknout při operacích se 2 nebo více qubity. A qubajtů (8 qubitů), jen abych uvedl příklad, může přijmout více než 65 tisíc různých kombinací, ve srovnání s 256 pro normální bajt.

S fotonickými výpočty, které ke zpracování dat využívají laserové paprsky, by bylo možné dosáhnout ještě více kombinací. Některé špičkové výzkumy prokázaly, že je ve skutečnosti možné vhodnou modulací intenzity některých laserových paprsků, které interagují s paměťovými buňkami vyrobenými z konkrétního materiálu schopného modifikovat svou molekulární strukturu (přecházející z amorfní na krystalickou), také modifikovat pouze částečně molekulární strukturu různých buněk. Tímto způsobem bylo možné získat kromě klasické “1” a “0” (100% krystalický článek, 100% amorfní článek) i některé mezihodnoty (například 50% amorfní a 50% krystalický ). To umožnilo během prvních experimentů ukládat data v osmi různých kombinacích pro každou jednotlivou buňku.

Od společnosti Cultur-e