裂开,有个粉丝居然问我,为什么计算机底层要使用二进制

大家好,我是这波能反杀,一个梦想要成为最好的前端知识分享博主的前端工程师。

可是今天,在实现梦想的道路上,我遇到了非常大的麻烦。因为有个粉丝问我:为什么计算机底层要使用二进制。

面对这个问题,我裂开了。这不是要为难我胖虎吗?哪个搞前端的会去思考这个问题。

好在作为软件工程专业的科班生,《计算机组成与原理》是一门必修课,而我刚好还依稀记得十多年前学的小知识,花费我毕生的学识,还可以勉强应对这个问题。

之所以会采用二进制根本的原因是:二极管。

二极管是用半导体材料(硅)制成的一种电子器件。它有一个非常好的特性,就是单向导电。

即给二极管阳极加上正向电压时,二极管导通。 当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管阻断。

那么这个特性有什么意义呢?

也就是说,机器很容易通过是否通电来判断二极管的状态。对于机器而言,一个二极管可以表达两种状态:true 与 false。或者 0 与 1。

那如果我逐渐增加二极管的数量呢?

当增加到两个二极管,就可以表达 16 种状态。

0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1

0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1

1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1

1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1

这里的核心是,机器可以通过电流识别到这些个不同的状态而做出不同的回应,而人可以识别数字。于是,这样的数字就成为了机器和人交流的关键基础理论。

因此,即使是到了现在,所有的开发语言,最终都会编译成为二进制,与机器进行沟通。当然,现在也有了三极管

当二极管增加到千千万万甚至上亿个之后,二极管集群能够表达的不同含义就越来越多,人与机器之间的沟通,就变得丰富起来。我们可以通过不同的指令表达不同的含义。

现在计算机的大脑核心:CPU 就包含了上亿个二极管。

如果在最开始的时候,一个二极管能表达十个状态,那么就有可能直接采用十进制,当然,这种晶体管还没有出现。

实际上,这样的理论基础在中国古代早就有运用:那就是算盘。

我们国家算盘有两种用法,一种是十进制,一种是十六进制。我们可以使用很多串珠子来表达非常大的数目。因此,如果执行速度足够快,算盘足够多,我们也可以用算盘来组装一个人工大型计算器。当然,这其中的成本就太高了。

最后还有一个非常有意思的小知识点。我们经常听说的纳米芯片,其实说的就是最小晶体管的物理尺寸。与电脑不同的是,手机给 CPU 留下的空间并不充足,因此在有限的空间内放下更多的晶体管,就需要晶体管的尺寸足够小。

而当晶体管变小之后,电阻变小,电流通电所需要的电压就更小,于是所需要的功率也大幅度减小。这是手机提高 CPU 性能的主要优化手段和努力方向。目前,全世界最先进生产工艺能量产的芯片尺寸是 7 纳米,中国的生产工艺能量产的暂时只有 14 纳米。理论上极限最小尺寸是 1 纳米。

我是这波能反杀,关注我解锁更多前端技术。

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