(本文对计算机二进制使用情况进行了全面探究。如果您感兴趣,不妨进一步阅读,深入了解这片数字海洋。别忘了点赞并关注!)

每当我们在计算机上操作软件、观看影片或聆听音乐时,了解它们是由 0 和 1 等二进制数字组成可能并不容易。但您是否思考过,为何计算机采用二进制?是因为它的效率最高吗?事实并非如此。从理论上讲,三进制计算机的效率甚至高于二进制。苏联也曾投入巨资研究三进制计算机。

那么,我们为何没有采用效率更高的计算机呢?

进制是一种来源于人类智慧的技术手段。人类天生拥有十根手指,因此选择了十进制。汉字的书写方式类似于五进制。计算机的二进制由 0 和 1 组成,遵循逢二进一、借一当二的规则。

您可能会有疑问,为何计算机没有使用更常见的进制,而是偏向于二进制?毕竟计算机也是为人类设计的,非要转化成一串冗长且非人性化的 0 和 1,岂不太过麻烦?曾有多篇科普文章将此归因于“电脑只看得懂 0 和 1”,听起来似乎合乎情理。但实际上,更重要的原因是计算机发明于二进制最容易实现的时代。历史上也出现过非二进制计算机。例如,诞生于 1945 年的世界上第一台通用计算机埃尼阿克,就是一台十进制计算机。

计算机由逻辑电路组成,而电路通常只有开和关两种状态,这两种状态恰好可以用 1 和 0 表示。1 和 0 又与逻辑运算中的真与假相对应。这便催生了著名的冯·诺依曼结构,让二进制在计算机领域大放异彩。其后的数十年,二进制计算机不断完善,各方面的硬件也逐步成熟。

如今,您手中的手机和电脑的显卡、社交平台上的好友照片、各式各样的游戏等,都依赖于二进制。二进制并非效率最高的进制。从理论上来说,e 进制是效率最高的。e 的正式名称是自然常数或欧拉数,是一个近似于 2.71828 的无理数。这意味着 e 进制才是理论上效率最高的进制,但这在工程应用中无法实现。而 3 比 2 更接近 e。我们可以得出结论:数据表示方式的效率依次为三进制最高、其次是二进制。那么,我们为何没有采用效率更高的三进制计算机呢?

这不得不提到一个早已消失的国家:苏联。早在五十多年前,苏联便发现了三进制在计算机领域中的优势。1958 年,莫斯科国立大学的计算机研究中心成功研制出世界上第一台三进制电子计算机 Сетунь。Сетунь 计算机采用的是一种特殊的逢三进制,即平衡三进制,也称对称三进制。

什么是平衡三进制?它是由 -1、0、1 构成的三进制。对应的逻辑电路则为负电压、零电压和正电压三态平衡。三进制是一种十分巧妙的设计,它所记录的数字可以表示全部整数。由于引入了负一,因此负数就不需要额外的负号。而二进制是无符号数,无法直接表示负数。

平衡三进制在计算效率上优于二进制。平衡三进制中的额外的数字,也为计算机提供了更多的可能性。布尔逻辑使得二进制计算机只有真、假两种状态。而平衡三进制将零视为不确定。从认知角度来看,真、假、不确定这三种状态更符合人脑逻辑。二进制由于缺少不确定状态,导致人工智能的发展止步于“人工智障”。在三进制体系下,计算机的自主学习能力也许会非常强大。设想一下,如果三进制计算机真的创造出具有自我意识的 AI,冷战的胜利者会是美国吗?

让我们回到 Сетунь 计算机。尽管苏联早早发现了三进制的优势,但莫斯科大学一开始并未重视这个项目,只派了四名副博士和一名刚毕业的学生参与开发。然而出乎意料的是,这台计算机在不同的室温下都表现出惊人的可靠性和稳定性。它的生产和维护也比同时期的其他计算机容易得多。很快,苏联部长会议便通过了批量生产 Сетунь 计算机的决议。工业部并不看好这台机器,认为它游离于计划经济之外,只不过是一件科幻产物。与此国内外的订单却纷至沓来,年产量仅十到十五台的 Сетунь 计算机根本无法满足市场需求。

令人不解的是,工业部并没有随着订单数量的增加而增加产量,反而严重限制生产进度,拒绝订单,并在 1965 年彻底停产。这听起来匪夷所思,但原因其实并不复杂。Сетунь 的电子元件良品率提高,而且非常耐造,同时价格还很低。它的售价只有 27.5 万卢布,创下了当时的历史新低。而同期其他计算机的售价基本都在它的两倍以上。莫斯科大学计算中心的样机足足运行了十七年,除了第一年更换了三个有缺陷的元器件之外,内部设备从来没有维修过。直到被摧毁的前一刻,它都还能正常使用。苏联官员停产 Сетунь 之后,取而代之的是一台性能相似的二进制计算机,但价格却贵出 2.5 倍。

<img image_type="1" img_height="331" img_width="500" mime_type="image/jpeg" src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/pgc-image/7c30efb1e14d4abdbe6eef3f3f47bd81~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1714855127&x-signature=iuw8GI9

随着科技进步,以往困扰科学家的计算问题已经得到解决,但令人惊讶的是,二进制技术的指数级发展远远超越了当今需求。现有的硬件架构完全依赖于完善的二进制体系,若贸然抛弃,整个体系将面临大洗牌,包括计算机、手机等电子设备都可能瞬间变砖。

随着芯片工艺不断微缩,半导体技术逐步触及量子领域的神秘范畴,突破1纳米的限制只是时间问题。如同游戏等级上限的提升,二进制技术已接近极限,而三进制技术作为升级选项开始崭露头角。

三进制技术的显着优势在于,它在相同信息量下所需的元件数量更少,这意味着可以节约芯片体积,同时提升性能。这一优势能够延缓半导体技术迈入难以捉摸的量子领域。量子领域本身就存在额外状态,即不确定叠加态,而三进制多出来的数字刚好可以表达这些额外状态。

近年来,韩国成功研制出三进制半导体,推动了三进制计算机的发展。二进制成熟的工业体系仍占据主导地位,完全取代它是不现实的。从三进制计算机的发展历程中可以看出,在选择技术时,除了技术本身,历史往往也会受到政治、经济等多方面因素的影响。

历史上的许多技术并非自身有缺陷,而是生不逢时。那些看上去发展不佳的技术,或许在另一个平行时空已经成为不可或缺的先进技术。或许在那个时空,我们会怀念二进制和电子计算机吗?