前苏联科学家发明出三进制,为什么没有延续下去?

关于前苏联科学家研制的Сетунь 70型三进制计算机,在我上大学时,老师就讲过其指令高效,计算速度高等优点。前苏联在上世纪70年代末强行停止该计算机的研发;后续只有少量的研究机构还在进行三进制的研究,但都没有实质性的突破,至少没有向大众普及。我认为没有很好的延续的主要原因至少有三个:

1,没有好的操作系统支持;2,没有好的高速的外部存储器的支持;3,没有解决远程数据的有、无线传输问题。

以下作以说明:

1,没有好的操作系统支持。即使今天,不装操作系统的电脑,您真的想买吗?

大家知道,上世纪70年代,诞生了八位的微机,但尚无好的操作系统,BASIC成为装机必备的行解释语言,如Apple BASIC、IBM BASIC等。由于各机型不同,它们对基本BASIC语言的扩展也不相同。BASIC最初只支持8位的结构,也就是一个字节是8个二进制位。

前苏联的Сетунь 70型三进制计算机,建立了三进制字节——tryte(对应于二进制的byte),每个三进制字节由6个三进制位(trit,约等于9.5个二进制位bit)构成;指令集符合三进制逻辑;算术指令允许更多的操作数长——1、2和3字节(三进制),结果长度也扩展到6字节(三进制)。

这与二进制PC机的字节大相径庭。因此,风靡一时的BASIC行解释程序无法在前苏联的三进制电脑上运行,使得该电脑无法向大众普及。

1975年,比尔·盖茨创立的Microsoft,并成功的把Basic语言的编译器移植到使用 Intel处理器的ALR计算机中;IBM在1982年选定Microsoft创作PC的操作系统。上世纪八十年代,MS DOS操作系统出现;九十年代Windows出现并升级到现在的win10,这都使得二进制在全世界得到普及。反观三进制,一直没有一个象样的OS系统,即使研究人员把电脑搞出来了,又怎么能普及?

2,如何存储?没有好的高速的外部存储器的支持。

硬盘储存数据的原理和盒式磁带类似,只不过盒式磁带上存储是模拟格式的音乐,而硬盘上存储的是数字格式的数据。

写入时,磁头线圈上加电,在周围产生磁场,磁化其下的磁性材料;电流的方向不同,所以磁场的方向也不同,可以表示 0 和 1 的区别。

而对于三进制,每一位为0/1/2三种状态,还需要重新设计存储器,重新设计存储驱动器。

三态门的电路要简单些,有一个EO控制使能端,来控制门电路的通断。 当EO有效时,三态电路呈现正常的“0”或“1”的输出;当EO无效时,三态电路给出高阻态输出。

但问题是,做有记忆的存储设备,在失电状态,存储器的每一存储位都有三种状态,这一点不好做。而人类一直以来用纸带打孔、磁带、磁盘、光盘、非易失性NVRAM等却很容易做到二进制存储。

3,网络时代,远程传输怎么做?

现在是网络时代,三进制数据传输处理变得很麻烦,甚至无法解决其传输可靠性问题。

如,010101在电线中是以电子脉冲(电子脉冲就是不规整波形的电压,高电压表示1,负电压表示0,当然点到过来也OK)的形式传播。由于电线的电学特性稳定,因此信号畸变比较小,所以传输质量很高。

对于空气这种无线传播介质,更需要复杂的编码以及信号变换技术将这些问题全部解决掉。

要变成三进制,可能非找”高通”定制不可。否则,只能将就着用二进制,再进行到三进制的转换。

结论:三进制计算机受到操作系统、存储、无线及有线传输等的限制,即使实验室做出原型机,也很难向大众普及。

在一些控制领域,可以尝试使用三进制系统,发挥其”架构简单、稳定、经济,指令系统更便于阅读、高效”的优势,很好地为人类服务。

从数学的角度讲,二进制,三进制,四进制,等等,根本用不着去发明。

但是从电子计算机的角度讲,到目前为止,只有二进制是可行的。晶体管的开关状态,可以稳定地表达二进制。集成电路,以及由此构成的庞大的计算机工业,其实都是构建于晶体管之上,二进制由此奠定了在计算机中的地位。

当然,我们可以设计特殊的晶体管,或者基于特别的材料和工艺,构建出三状态,四状态,也就是三进制四进制的基础器件。至少从历史来看,它无法跟基于二进制的集成电路竞争,它没有大规模工业应用的可能。

可以说几进制的问题,实际上是基础器件的高效生产,及其工业应用的问题。

现在很火热的量子计算,倒是有可能从根本上颠覆我们想改进二进制想法。因为量子计算,可以把成千上万的状态叠加,同时进行计算。不过,现在的量子计算机,还基本上基于量子模拟。一旦通用的量子计算机诞生,我们对于几进制的纠结,就可能完全消失。

不光有二进制、三进制计算机,在历史上也存在过十进制、八进制计算机。计算机不一定非得用二进制,但二进制能够力排众难,最终能够以压倒性的姿态普及自然有潜在的道理。

计算机一开始并不是二进制的,而是十进制的。世界上第一台计算ENIAC除了是十进制的外,最引人注目的就是它的体积和复杂性。ENIAC包含了17468个真空管、7200个晶体二极管、1500个继电器、10000个电容器,重达27吨,占地167平方米。

ENIAC使用十位环形计数器存储数字,每个数字使用36个真空管,其中10个是双三极管,他们组成了环形计数器的触发器。IBM的卡片阅读器用于输入,打卡器用于输出。

如果说相同长度的纸带进制越往大就可以表示更多的信息,但识别设备的复杂了,纸带变宽了。在现实中,电子设备往往需要进行传送多路信号,纸带可以做宽,但线路信号和无线信号却很难做宽。

进制是数字的不同表现形式而已,它的本质并没有发生改变,不管是二进制的9还是三进制的9,还是10进制的9,都是数学意义上的9,而不是纯粹的一个图形符号。很多人都错误地认为,二进制需要用那么多的十进制的0和1来表示数据,效率肯定要比十进制慢得多,也复杂得多。比如35453934(十进制)=10 0001 1100 1111 1011 1110 1110(二进制)。这样我们就陷入了惯性思维,机器工作速度是极快的,你花费巨量的时间打几千几万甚至几百万字的文本,电脑保存只是一眨眼的事情。

人类最早的通讯信号都是通断信号,而二进制就足以表示通断信号,如灯塔、电报等。在电子管、晶体管时代,通断都是最稳定最明确的状态,刚好与二进制契合。二进制在电路运行、传输层面都是最合适的,加上各种脉冲、触发、翻转电路,支撑起复杂的二进制计算。二进制与电子电路的完美结合,才形成了现在多姿多彩的数码世界,比如:电路层面使用开关、通电用有信号和没信号、高电平低电平表示两种不同的状态、媒介存储用有坑和没坑或者有磁性和没磁性来保存数据。

正如二进制算术体系的发明者莱布尼茨断言的那样:”二进制乃是具有世界普遍性的、最完美的逻辑语言”,至少在以电为信息载体的时代是这样的。二进制在莱布尼茨时代并没有得到推广,知道计算机发明后,二级制才真正实现了其应用。如今在德国图林根著名的郭塔王宫图书馆内仍保存一份莱布尼茨的手稿,标题写着“1与0,一切数字的神奇渊源。”

二进制在计算机领域能够长足的发展是由硬件决定,只有两种状态的二进制电路在成本低、性能稳定、电路简易、接口方便、扩展性强等各个方面都碾压其他进制的电路。

三进制计算机在过去发展缺乏契机

三进制一直被很多人推崇的原因在于它可以利用电压存在着的三种状态:正电压(1)、零电压(0)、负电压(-1)。这在过去是很难实现的,但随着技术的进步,真空管和晶体管等元器件被速度,可靠性更好的铁氧体磁芯和半导体二极管取代,三进制提出的需要更少的设备和电能却能实现更高的性能成为可能。

苏联的三进制计算机属于生在一个不恰当的时期,当时的官僚对于这个不属于经济计划一部分的“科幻产物”持否定的态度,甚至勒令其停产。得不到上级支持的三进制计算机最终夭折。

如今的三进制的研究大多都停留在表面和形式上,并没有人真正很深入到实际应用中去。三进制计算机要想真正走入寻常百姓家,就需要拥有一个完整的知识体系,更别提拥有一个适配的操作系统和软件生态。所以二进制在计算机中能走到现在既有必然也有偶然,它是一整个时代的产物。


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自然常数e是2.71828,理论上三进制比二进制更好

我们现在普遍使用的都是十进制的数。他的规则是逢十进一。基础部分是从0到9一共十个数字。如果加到了九,那么就向高位进一,而原来九的位置置零也就是一零,我们叫做十。还有十中使用的0到59的60个数字逢60进一。三进制就是逢三进一,从0到2一共三个数字。

实际生活中还有其他的一些精致的数字,比如在计算机中普遍使用的二进制,八进制和16进制。这些进制的数字只是方便我们进行理解和转换的一种逻辑和运算方式而已。但是实际完成这些运算的还是实实在在的物理结构,比如各种二极管,三极管,电阻电容等。他们并不管你是二进制还是十进制,或者是三进制。要想分辨他们的状态,相对简单的方式就是看看他们有没有通电?或者他们通的是多少电压,这样没有通电的定义,为一通电的定义为零,或者反过来。或者五福定义为一零伏定义为零。这就是为什么计算机要使用二进制,而不是十进制。因为通通和断是最显而易见的电路状态并且比较容易的能被区分出来。而想让电路表现出实际是这样多的状态了,显然并没有二进制来的容易。

两种状态的计算机研制和发展相对来说更容易。所以现在我们的计算机系统都是二进制的。就是取其中的两种状态来映射出来,至于我们使用的二进制的1和0,这只是方便我们理解计算机的工作原理和运算规则而已。如果你愿意,你也可以使用三进制来理解二进制计算机的工作状态。对于计算机来说,通断就是他的工作语言。而显然这种语言和我们人们普遍使用的语言并不相同,二进制只是充当这种转换之间的中介而已。

简而言之,政治因素才是三进制计算机下马的主要原因,其它的诸如实现困难,没有合适的操作系统等等,都不是问题,因为在那个年代,无论二进制还是三进制都初早期阶段,只要坚持发展都会有成就。但是,苏联的决策层并没有看到计算机技术在未来的重要性才导致这个项目无疾而终的主因。

从纯数学意义看,三进制的描述,就是那个所谓的遮天蔽日的迷魂阵,三肩膀上扛一叠三。云山雾罩,让你搞不懂,它到底有多少位。哪有十进制这么清晰明白。完全是胡搅蛮缠也。至于逻辑运算,二进制和三进制似乎并列,三还高深一些。可是计算机讲的是存储和运营,讲究的是响应时长。例如DVD光盘,二进制只需要表面,呈平或凹二种状态,反射光经过就是有或无地传递出去了。再搞第三态,画蛇添足耳。对于电脑原理有兴趣的达人,还是把精力放到,开发一款中文操作系统,比较靠谱。

数学的进制发明没有难度,关键是物理上如何实现,一个器件如何实现三种状态是基础。二进制是以二极管通,断两种状态为基础,发展起来的。如果一个器件能表达三种状态,效率当然比两种状态的高,还有经济性和制造成本是要考虑的。

不是算法问题,按算法效率,十进制完败2进制。

2进制之所以能够在数字领域取代10进制和其他进制,是因为目前材料所限。

理论上现在能够做出所有进制的芯片,但是可靠性测试会疯掉。

计算机的频率越来越快,要让电路分别区分三种电平,电路回越来越难实现。

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