За троичными компьютерами будущее?

Сегодня многие слышали про квантовые компьютеры, и некоторые даже слышали слово "кубит". Однако, совсем мало специалистов в мире понимают, что это такое. Тем не менее, эта отрасль стремительно развивается. Развиваются также стандартные бинарные компьютеры, но они по степени интеграции почти вплотную подошли к физическим пределам микроэлектроники. Уже осваиваются ангстремные размеры в логических элементах, что сопоставимо с размерами самих атомов. Продолжаются опыты с оптическими (не путать с квантовыми) компьютерами на базе фотонной логики, на подходе спинтроника и многие другие новейшие технологии. Но в большинстве своем они бинарные, то есть двоичные. Речь идет о двух состояниях: ноль и единица, ложь и истина. Бинарная логика позволяет нам пользоваться всеми теми благами, которые нам подарили современные вычислительные устройства, будь то стиральная машина с микропроцессорным управлением, автомобиль, смартфон, компьютер или облачные хранилища и вычислительные центры. Почти всюду используется двоичная система хранения и вычисления. По сути, в этой системе, помимо чисто арифметических операций сложения, вычитания, умножения и деления, используются и три булевых операции: И, ИЛИ, НЕ, и их разнообразные комбинации.

Чтобы иметь хоть какое-то представление, для тех, кто не знаком с этой системой, приведу несколько примеров. Возьмем 4-разрядную бинарную систему. Тут у нас будет 16 цифр, от 0000 до 1111. Разряды заполняются так: 1-й справа — это ноль либо единица, второй — ноль либо двойка, третий — ноль либо четверка, последний разряд, соответственно, ноль или восемь. К примеру, 0000=0, 0001=1, 0010=2, 0100=4, 1000=8. Хорошо, а как записываются промежуточные цифры, скажем, 3 или 12? Все очень просто: 3 — это 2 + 1, следовательно, мы плюсуем 0001 и 0010, получаем 0011. 12, соответственно, будет 8 + 4, значит 1000+0100=1100. Нетрудно заметить, что самое большое число, которое мы можем представить в четырехразрядной системе, это 15 (1111), следовательно, мы можем описать 16 чисел, включая ноль. Как видно, мы все время пользовались только 2 цифрами: ноль и единица. Это очень удобно и достаточно помехоустойчиво. Разнеся единицу подальше от нуля (в вольтах, амперах, яркости пикселя, магнитной силе и пр.), мы можем уверенно фиксировать и отличать 0 от 1. В этом и прелесть, а также простота бинарных систем.

Однако, еще до возникновения двоичных вычислителей, в далеком 1840 году инженер и математик Томас Фоулер создал свою механическую вычислительную машину на троичной логике. Тут, кроме ИСТИНА и ЛОЖЬ, появился третий элемент — НЕИЗВЕСТНО, или, просто промежуточное значение. Операции для таких систем аналогичны бинарным операциям. В современных системах используются 3 значения (уровня) сигнала: -1, 0, 1. Таким образом, условно -1 считается неопределенным, хотя физически это вполне определенный уровень. Возникает вопрос: а в чем собственно преимущество троичных систем? Ну, давайте немного посчитаем. В двоичной системе 2 разряда могут содержать 2²=4 уровня, или 4 цифры, буквы, да в принципе любых квантованных данных. 3 разряда, соответственно, 2³=8, в четырехразрядной, как было показано выше, 16 уровней. На заре микроэлектроники компьютеры были восьмиразрядными, они оперировали с уровнями (числами) до 2⁸ = 256. Позже, в эпоху DOS, появились 16-битные машины, которые оперировали со "словами" длиной 2¹⁶ = 65536 чисел! Но это не предел. Позже мы перешли на 32-битные системы, в которых длина слов 4 294 967 296. Сегодня почти все современные устройства (компьютеры, планшеты, смартфоны и пр.) используют 64-разрядную архитектуру, где длина слов возросла до колоссальных 18 446 744 073 709 551 616 слов! Но и это не предел. Разрабатываются и даже в некоторых высокоточных отраслях используются и 128-битные архитектуры. А в видеопроизводстве мы имеем дело и вовсе с 512 разрядами!

А нельзя ли в таких же по размерам чипах получить еще большее количество хранимой и обрабатываемой информации? Можно, и тут к нам на помощь приходит троичная система. Давайте рассмотрим и сравним количество данных, которые доступны в двоичной и троичной системе при одинаковых разрядах.

И т.д. Вроде разрыв небольшой, но вы заметили, он растет?! Посмотрим, какой будет выигрыш для 8, 16, 32 и 64-разрядных систем:

Как видим, чем выше разрядность, тем более фантастичным будет разрыв. Значит, троичная система исчисления даст нам огромную фору в достижении пределов современных технологий. Но, не все так просто и радужно. На самом деле троичная система требует в среднем 2,5 раза больше логических элементов, чем двоичная. Следовательно, разрыв будет скромнее, тем не менее, это колоссальный выигрыш. Возникает вопрос: допустим, электроника сможет работать с трехуровневыми сигналами, а как быть с классическими носителями информации, оптическими и магнитными? Они все еще применяются и, несмотря на всякие новомодные SSD, не собираются сдавать свои позиции. Тут все просто: в оптические питы информацию можно записывать двумя лазерами с поляризацией на 180° и считывать с такими же оптотранзисторами. Или с одним лазером с двумя уровнями яркости. Это вполне достижимая задача. С магнитными носителями тоже можно поступить аналогично: либо трехуровневая запись, либо запись разнополярных магнитных меток.

Вполне очевидна экономичность троичной системы. Например, в двоичной системе для числа, которому требуется 42 бита, в троичной системе требуется 27 тритов (аналог бита в троичной системе). Кроме того, троичная система позволяет сократить количество запросов с двух, необходимых для двоичных систем, до одного, что также резко ускоряет обработку данных. Еще одно преимущество — в меньшем количестве ошибок, что связано с увеличением разрешающей способности системы. Все это позволяет сказать, что в ближайшие десятилетия мы увидим бурное развитие троичных систем. Потом, возможно, придут четверичные, пятеричные системы — все дело в технологиях. Впрочем, эти технологии уже разрабатываются в безразмерных квантовых системах с кубитами, где вообще нет четкой локализации "Да" или "Нет", "Ноль" или "Единица", а в дело идет лишь вероятность того или иного значения. Но это тема отдельного разговора, я пока ограничусь поверхностным описанием троичных систем.