Zera i jedynki, czyli jak rozmawiają komputery? Genialny system binarny

Mimo że system binarny to „wynalazek” rodem z XVII wieku, to nasze komputery cały czas są oparte właśnie na nim. Jak to możliwe, że przez kilkadziesiąt ostatnich lat nie wymyślono innego sposobu „rozmowy” komputerów?  

Komputery potrafią zrobić już bardzo wiele. Wyszukiwać na naszą prośbę rzeczy w Google, przechowywać dla nas tysiące plików, robić ich backup w chmurze, zarchiwizować i przerobić nasze zdjęcie, a nawet się same uczyć (tzw. machine learning). Mimo iż to bardzo skomplikowane urządzenia, to są też piękne w swej prostocie. Jest jednak jedna podstawowa rzecz, której nie potrafią, a której my uczymy się już w przedszkolu – liczenia. Dla nich nie istnieje coś takiego jak mnożenie lub dzielenie. Komputer nie wie jak, obliczyć, ile jest 5*2.  On nawet nie zna pojęcia 5, ani 2, ani znaku mnożenia. Tak naprawdę rozpoznaje on tylko dwa stany: tak lub nie. Jeżeli wolicie może to być prawda lub fałsz, albo 1 i 0. To system pochodzący z… początku XVII wieku.

Przeczytaj też: Co to jest system binarny (system dwójkowy) ?

Skąd się wziął system, w którym „rozmawiają” komputery?

Pierwszy komputer ENIAC- Electronic Numerical Integrator And Calculator (z ang. elektroniczny liczbowy integrator i kalkulator) powstał w 1945 r. i został zaprojektowany przez naukowców z Uniwersytetu w Pensylwanii. Używał systemu binarnego. Jednak nie został on stworzony dlatego, że powstały komputery i trzeba było wymyślić im jakiś „język”.

Powstanie systemu binarnego datuje się na przełom XVII i XVIII wieku. Jego autorem był Gottfried Wilhelm Leibniz. To był mózg nie lada – współtwórca „uwielbianego” przez wszystkich studentów Calculusa – czyli rachunku różniczkowego i całkowego. Tego samego, za który jest również „odpowiedzialny” Izaak Newton.

Nasz standardowy system liczbowy opiera się na 10 cyfrach (0-9), dzięki którym możemy stworzyć dowolną liczbę. Notabene największą liczbą zapisaną oficjalnie jest googolplex (10^10^100), czyli 10 do potęgi googol (10^100). Stąd zresztą firma Google wzięła swoją nazwę. Z  kolei system binarny jest oparty tylko na 2 liczbach – 0 i 1. Udało mu się pominąć tabelę mnożenia i stworzyć nowe zasady liczenia.

Np. liczba (1101) w systemie dziesiętnym to 1*10^3 + 1*10^2 + 0*10 + 1

Aby przekonwertować liczbę z systemu dziesiętnego na system binarny użyjemy systemu opierającego się na potęgach liczby 2. W tym wypadku liczba 1101 jest równa 13.

1101 = 1*2^3 + 1*2^2 + 0*2^1 + 1^2^0 = 8 + 4 + 1 =13

Dlaczego komputery tak lubią system binarny?

Komputer = elektryczność. U podstawy działania komputerów jest kontrola elektroniki. Gdy wysyłamy maila, to nie mamy do czynienia z magią, tylko komputer wysyła pulsy elektryczne. Tak naprawdę komputery to tylko przełączniki, które elektrycznie kontrolują wewnętrzne komponenty. Biorąc za przykład zwykły przełącznik od światła, możemy go albo włączyć, albo wyłączyć. Nie istnieje żaden stan pośredni. Dokładnie to samo robi nasz komputer.

Jest zbudowany z miliarda mikroskopijnych tranzystorów, z których każdy jest przełącznikiem. Tak samo, jak światło, może być albo włączony, albo wyłączony. Jeżeli widzimy liczbę 111100 oznacza to, że tranzystor wykonuje operację „włącz”, „włącz”, „włącz”, „włącz”, „wyłącz” i „wyłącz”.  Żeby nie było nieporozumień, komputer działa w cyklach. Każda liczba jest odczytywana w kolejnym cyklu. W naszym przypadku przez cztery pierwsze cykle komputer wysyła jeden puls, po czym przez kolejne dwa cykle nie wysyła nic.

Wszystko, co robimy na naszym komputerze jest binarne. Każde słowo, kolor albo liczba. Istnieje nawet słownik binarny, w którym możecie przetłumaczyć cyfrę lub wyraz.

Np. słowo zero przetłumaczymy jako 01111010 01100101 01110010 01101111.

Bit i Bajt, czyli jak zapamiętuje komputer?

W systemie binarnym każdą cyfrę, czyli 0 albo 1, nazywamy bitem. Jest to skrót od słowa binary digit, czyli z ang. cyfra binarna. A każdą grupę ośmiu bitów – tak, jak np. odpowiednikiem litery „Z” jest 01111010 – nazywamy bajtem. Bity i bajty to podstawowe jednostki, w których mierzy się pamięć komputerów. Jeśli na dysku USB mamy dostępny 1 GB, to oznacza, że na dysku jest 1.073.741.824 bajtów pamięci, czyli 8.589.934.592 bity.

System binarny jest wykorzystywany nie tylko w komputerach. Naukowcy opracowali nawigację zwaną UBL- Underwater Backscatter Localization. Tutaj system binarny też ma zastosowanie, bo w przypadku fali odbitej dostajemy zwrot w postaci 1, a w przypadku nieodbitej 0. System binarny pozwala na zakodowanie wielu informacji, m.in. zasolenia lub temperatury wody albo określenia lokalizacji poprzez zmierzenie czasu, w jakim sygnał dźwiękowy odbije się i wróci do nadajnika.

Bezkonkurencyjny system binarny? A może niekoniecznie?

Czy system binarny, który od samego początku jest podstawą pracy komputerów, pozostanie z nami na zawsze? Istnieją dwie alternatywy, które nie cieszą się na razie wielką popularnością. Pierwsza to kubity, czyli wykorzystywane w komputerach kwantowych bity, które – dopóki są „nieodkodowane” – mogą stanowić 0 i 1 jednocześnie. Druga to trójkowy system liczbowy, gdzie oprócz 0 i 1 wykorzystuje się jeszcze 2. Jednak żaden z tych dwóch systemów nie zapewnia takiej stabilności przechowywania lub przesyłania danych jak system binarny. W przypadku komputerów kwantowych nie jesteśmy w stanie wysłać danych na odległość dalszą niż 50 km.

System binarny pozostaje na razie niezastąpiony. Jego oryginalność została ukazana w wielu filmach. W sławnym i niesamowitym filmie Interstellar główny bohater wykorzystał system binarny, aby pozostawić wiadomość swojej córce.