Warum nicht ternäre Computer?

Inhalt

• Ein Blick auf die Mathematik
• Keine Bugs, kein Stress - Ihre schrittweise Anleitung zur Erstellung lebensverändernder Software, ohne Ihr Leben zu zerstören
• Ternäre Computer in der Geschichte
• Der Fall für Ternary
• Warum also nicht ternär?
• Das Nummerierungssystem der Zukunft
• Fazit

Quelle: Linleo / Dreamstime.com

Wegbringen:

Ternary Computing basiert eher auf Trits mit drei Zuständen als auf Bits mit zwei Zuständen. Trotz der Vorteile dieses Systems wird es selten verwendet.

Fry: Bender, was ist das?

Bender: Ahhh, was für ein schrecklicher Traum. Überall Eins und Null ... und ich dachte, ich hätte eine Zwei gesehen! "

Fry: Es war nur ein Traum, Bender. Es gibt keine zwei. "

Jeder, der sich mit digitaler Datenverarbeitung auskennt, kennt Nullen und Einsen - einschließlich der Zeichen im Zeichentrickfilm „Futurama“. Nullen und Einsen sind die Bausteine ​​der Binärsprache. Aber nicht alle Computer sind digital, und nichts besagt, dass digitale Computer binär sein müssen. Was wäre, wenn wir ein Base-3-System anstelle von Base-2 verwenden würden? Konnte sich ein Computer eine dritte Ziffer vorstellen?

Wie der Informatik-Essayist Brian Hayes bemerkte: „Menschen zählen zu Zehn und Maschinen zu Zweien.“ Einige mutige Seelen haben es gewagt, eine ternäre Alternative in Betracht zu ziehen. Louis Howell schlug 1991 die Programmiersprache TriINTERCAL unter Verwendung des Base-3-Nummerierungssystems vor. Vor über 50 Jahren bauten russische Innovatoren ein paar Dutzend Base-3-Maschinen. Aber aus irgendeinem Grund hat sich das Nummerierungssystem in der breiteren Computerwelt nicht durchgesetzt.

Ein Blick auf die Mathematik

In Anbetracht des begrenzten Platzes hier werden wir nur einige mathematische Ideen ansprechen, um uns einen Hintergrund zu geben. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in Hayes 'ausgezeichnetem Artikel "Third Base" in der Nov / Dec 2001-Ausgabe von American Scientist.

Schauen wir uns nun die Begriffe an. Wahrscheinlich haben Sie inzwischen festgestellt (falls Sie es noch nicht wussten), dass das Wort "ternär" mit der Nummer drei zu tun hat. Im Allgemeinen besteht etwas, das ternär ist, aus drei Teilen oder Abteilungen. Eine ternäre Form in der Musik ist eine Liedform, die aus drei Abschnitten besteht. Ternär bedeutet in der Mathematik, drei als Basis zu verwenden. Einige Leute bevorzugen das Wort Trinary, vielleicht weil es sich mit Binary reimt.

Jeff Connelly behandelt in seiner Arbeit „Ternary Computing Testbed 3-Trit Computer Architecture“ aus dem Jahr 2008 einige weitere Begriffe. Ein „Trit“ ist das ternäre Äquivalent eines Bits. Wenn ein Bit eine Binärziffer ist, die einen von zwei Werten haben kann, dann ist ein Trit eine ternäre Ziffer, die einen von drei Werten haben kann. Ein Trit ist eine dreistellige Basis. Ein "Tryte" wäre 6 Trits. Connelly (und vielleicht auch niemand anderes) definiert ein "Tribble" als eine halbe Zahl (oder eine Zahl zur Basis 27) und nennt eine Zahl zur Basis 9 eine "Zahl". (Weitere Informationen zur Datenmessung finden Sie unter Grundlegendes zu Bits, Bytes.) und ihre Vielfachen.)

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Sie können Ihre Programmierkenntnisse nicht verbessern, wenn sich niemand um die Softwarequalität kümmert.

Für mathematische Laien (wie mich) kann das alles etwas überwältigend werden. Wir werden uns daher nur ein anderes Konzept ansehen, um die Zahlen besser zu verstehen. Ternary Computing befasst sich mit drei diskreten Zuständen, aber die ternären Ziffern selbst können laut Connelly auf verschiedene Arten definiert werden:

• Unausgeglichenes Trinary - {0, 1, 2}
• Fractional Unbalanced Trinary - {0, 1/2, 1}
• Ausgewogenes Trinary - {-1, 0, 1}
• Unbekannter Status - {F,?, T}
• Trinary Coded Binary - {T, F, T}

Ternäre Computer in der Geschichte

Es gibt hier nicht viel zu besprechen, weil, wie Connelly es ausdrückte, "die Trinary-Technologie auf dem Gebiet der Computerarchitektur ein relativ unerforschtes Gebiet ist." Obwohl es vielleicht einen verborgenen Schatz der universitären Forschung zu diesem Thema gibt, haben es nicht viele Basis-3-Computer geschafft in die Produktion. Bei der Hackaday Superconference 2016 hielt Jessica Tank einen Vortrag über den ternären Computer, an dem sie in den letzten Jahren gearbeitet hat. Ob sich ihre Bemühungen aus der Dunkelheit erheben werden, bleibt abzuwarten.

Aber wir werden ein bisschen mehr finden, wenn wir Mitte der 20er Jahre auf Russland zurückblicken^th Jahrhundert. Der Computer hieß SETUN und der Ingenieur war Nikolay Petrovich Brusentsov (1925–2014). In Zusammenarbeit mit dem bekannten sowjetischen Mathematiker Sergei Lvovich Sobolev schuf Brusentsov ein Forschungsteam an der Moskauer Staatsuniversität und entwarf eine ternäre Computerarchitektur, die den Bau von 50 Maschinen zur Folge hatte. Wie der Forscher Earl T. Campbell auf seiner Website feststellt, war SETUN „immer ein Universitätsprojekt, das von der Sowjetregierung nicht vollständig befürwortet und vom Fabrikmanagement misstrauisch gesehen wurde.“

Der Fall für Ternary

SETUN verwendete eine ausgeglichene ternäre Logik, {-1, 0, 1}, wie oben erwähnt. Dies ist der übliche Ansatz für Ternary und auch in der Arbeit von Jeff Connelly und Jessica Tank zu finden. "Das vielleicht schönste Zahlensystem von allen ist die ausgewogene ternäre Notation", schreibt Donald Knuth in einem Auszug aus seinem Buch "Die Kunst der Computerprogrammierung".

Brian Hayes ist auch ein großer Fan von Ternary. „Hier möchte ich Basis 3, dem ternären System, ein Hoch auf den Kopf stellen. … Sie sind die Goldlöckchen-Wahl unter den Nummerierungssystemen: Wenn die Basis 2 zu klein und die Basis 10 zu groß ist, ist die Basis 3 genau richtig. “

Eines von Hayes 'Argumenten für die Tugenden von Base-3 ist, dass es das nächste Nummerierungssystem zu Base-e ist, „die Basis der natürlichen Logarithmen mit einem numerischen Wert von ungefähr 2.718“. Mit mathematischen Fähigkeiten, erklärt der Essayist Hayes Wie wäre Base-E (wenn es praktisch wäre) das wirtschaftlichste Nummerierungssystem? Es ist in der Natur allgegenwärtig. Und ich erinnere mich noch genau an diese Worte von Mr. Robertson, meinem Chemielehrer an der High School: "Gott zählt nach e."

Die höhere Effizienz von Ternär im Vergleich zu Binär kann durch die Verwendung des SETUN-Computers veranschaulicht werden. Hayes schreibt: „Setun operierte mit Zahlen, die aus 18 ternären Ziffern oder Trits bestehen, was der Maschine einen numerischen Bereich von 387.420.489 gibt. Ein Binärcomputer würde 29 Bit benötigen, um diese Kapazität zu erreichen. “

Warum also nicht ternär?

Nun kehren wir zur ursprünglichen Frage des Artikels zurück. Wenn Ternary Computing so viel effizienter ist, warum setzen wir sie dann nicht alle ein? Eine Antwort ist, dass die Dinge einfach nicht so passiert sind. Wir sind im Bereich der binären digitalen Datenverarbeitung so weit gekommen, dass es ziemlich schwierig wäre, zurück zu kehren.So wie der Roboter Bender keine Ahnung hat, wie er über Null und Eins hinaus zählen soll, arbeiten die heutigen Computer mit einem Logiksystem, das sich von dem unterscheidet, was ein potenzieller ternärer Computer verwenden würde. Natürlich könnte Bender irgendwie dazu gebracht werden, ternär zu verstehen - aber es wäre wahrscheinlich eher eine Simulation als eine Neugestaltung.

Und SETUN selbst erkannte laut Hayes nicht die größere Effizienz von ternary. Er sagt, weil jeder Trit in einem Paar von Magnetkernen gespeichert war, "wurde der ternäre Vorteil verschleudert." Es scheint, dass die Implementierung genauso wichtig ist wie die Theorie.

Ein erweitertes Zitat von Hayes scheint hier angebracht:

Warum hat sich die Basis 3 nicht durchgesetzt? Eine einfache Vermutung ist, dass zuverlässige Geräte mit drei Zuständen einfach nicht existierten oder zu schwer zu entwickeln waren. Und sobald sich die Binärtechnologie etabliert hatte, hätte die enorme Investition in Methoden zur Herstellung von Binärchips jeden kleinen theoretischen Vorteil anderer Basen überwunden.

Das Nummerierungssystem der Zukunft

Wir haben über Kleinigkeiten gesprochen, aber haben Sie schon von Qubits gehört? Dies ist die vorgeschlagene Maßeinheit für das Quantencomputing. Die Mathematik wird hier ein wenig verschwommen. Ein Quantenbit oder Qubit ist die kleinste Einheit der Quanteninformation. Ein Qubit kann in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Es kann also mehr als nur die beiden binären Zustände darstellen, aber es ist nicht ganz dasselbe wie ternär. (Weitere Informationen zum Quantencomputing finden Sie unter Warum Quantencomputing die nächste Abbiegung auf dem Big Data Highway sein kann.)

Und Sie dachten, binär und ternär wären hart! Die Quantenphysik ist nicht intuitiv zu erkennen. Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger bot ein Gedankenexperiment an, das bekannt ist als Schrödingers Katze. Sie werden gebeten, für eine Minute ein Szenario anzunehmen, in dem die Katze gleichzeitig lebt und tot ist.

Hier steigen einige Leute aus dem Bus. Es ist lächerlich vorzuschlagen, dass eine Katze sowohl lebend als auch tot sein könnte, aber das ist das Wesen der Quantenüberlagerung. Der Kern der Quantenmechanik besteht darin, dass Objekte sowohl Eigenschaften von Wellen als auch von Partikeln aufweisen. Informatiker arbeiten daran, diese Eigenschaften zu nutzen.

Die Überlagerung von Qubits eröffnet eine neue Welt der Möglichkeiten. Von Quantencomputern wird erwartet, dass sie exponentiell schneller sind als binäre oder ternäre Computer. Die Parallelität mehrerer Qubit-Zustände könnte einen Quantencomputer millionenfach schneller machen als den heutigen PC.

Fazit

Bis zu dem Tag, an dem die Revolution des Quantencomputers alles verändert, bleibt der Status Quo des Binärcomputers bestehen. Als Jessica Tank gefragt wurde, welche Anwendungsfälle für Ternary Computing auftreten könnten, stöhnte das Publikum, als es einen Hinweis auf das „Internet der Dinge“ hörte. Und das könnte der springende Punkt sein. Sofern sich die Computergemeinschaft nicht auf einen sehr guten Grund einigt, den Apfelkarren aus dem Gleichgewicht zu bringen, und ihre Computer auffordert, statt zwei zu zählen, werden Roboter wie Bender weiterhin binär denken und träumen. Mittlerweile ist das Zeitalter des Quantencomputers kurz vor dem Horizont.