Пиксель. История одной точки

Не обязательно применять именно биты, просто инженеры быстро обнаружили, что они очень удобны на практике. Фактически, биты уже использовались в течение многих лет при создании вычислительных машин, прежде чем кто-то удосужился преобразовать в них великую идею Тьюринга. Эта заслуга принадлежит Клоду Шеннону. Возможно, именно встречи с Тьюрингом в 1943 году на Манхэттене — по поводу разработки вокодера — подтолкнули его к догадке. Шеннон показал, что машину Тьюринга с любым количеством символов можно заменить другой с двумя символами, и она будет вычислять то же самое. Поскольку лента машины Тьюринга — это ее память, ячейка ленты в предложенном Шенноном эквиваленте машины Тьюринга — это один бит памяти с двумя символами в качестве значений.

Третий миф еще более вреден. Это убежденность, что бит принимает только два значения — 0 и 1. Другими словами, третий миф утверждает, что компьютер состоит из нулей и единиц и, следовательно, в его основе лежат числа. Здесь смешиваются калькулятор, предназначенный для работы с числами, и компьютер, то есть гораздо более масштабная идея. В третьем мифе также перепутано понятие имени с тем, что оно обозначает.

Ошибочное представление естественным образом возникает из-за выбора наименований для двух состояний бита. Нам удобно обозначать их 0 и 1, но ничто не мешает называть их как-нибудь по-другому: день и ночь, низ и верх, точка и тире или ох и ах. Я думаю, вы согласитесь, что такие имена гораздо менее удобны и лаконичны, чем 0 и 1. Но, как и в случае с компьютером-карточкой, это просто слова, а не числа.

Нетрудно догадаться, почему компьютерные операции путают с вычислениями. Оригинальная статья Тьюринга называлась On Computable Numbers — «О машинно-вычислимых числах». Буква N в аббревиатуре ENIAC означает numerical — «числовой». Слово «алгоритм», как мы уже знаем, отдает дань уважения средневековой математике. Многие компьютерные операции на первых, очень медленных машинах сводились к математическим вычислениям — например, к расчетам для водородной бомбы. Числа были самыми простыми символами, с которыми можно было работать при помощи нового инструмента. Некоторые из первых практиков, похоже, так никогда и не поняли, что компьютер представляет собой нечто большее, чем быстродействующий калькулятор, но Тьюринг знал, насколько компьютеры универсальны. Интересно отметить, что «бомбы» Тьюринга и «колоссы» Ньюмана в Блетчли-Парке на самом деле не занимались математическими вычислениями или манипуляциями с числами, а использовали подстановку символов для взлома кодов.

Сэр Чарльз Шеррингтон, автор эпиграфа к этому разделу, использовал свою знаменитую метафору про «заколдованный ткацкий станок» для описания бодрствующей коры человеческого мозга, но она также подходит для современного компьютера. Речь идет об изменчивых узорах, а вовсе не о числах, если только смыслы, которые[14]мы придаем этим узорам, не являются числами. Мы можем по-разному интерпретировать комбинации, но для компьютера они останутся просто комбинациями.

Если в компьютере нет чисел, то что там находится? Почти все современные компьютеры — это электронные машины, и в ячейках их памяти хранятся биты. Они построены на основе интегральных микросхем — возможно, нашего величайшего технологического достижения. Заглянув внутрь такой работающей микросхемы, вы обнаружите узоры от высокого и низкого электрического напряжения. Это и есть биты.

Хорошо известное вам место, где такие узоры можно увидеть — или хотя бы измерить, — это электрическая розетка в вашем доме. Мы знаем, что напряжение там изменяется в виде волны Фурье от максимального до минимального значения (в США это 60 циклов в секунду). Ток, поступающий по проводам в ваш компьютер, на самом деле представляет собой волну постоянно меняющегося напряжения — от низкого к высокому и обратно.

Но на различных участках микросхемы напряжение не меняется плавно и непрерывно, как в розетке переменного тока. Оно сохраняет свое значение — допустим, высокое — до тех пор, пока компьютерное правило не потребует изменить состояние на другое, низкое значение. Каждый элемент микросхемы, который переключается по команде с высокого напряжения на низкое и наоборот, реализует абстрактную идею бита. Мы говорим, что бит принимает значение 1, пока не поступит указание изменить его на 0. Посмотрите, как удобны эти имена! Но физическая реальность — это не числа, а напряжение, как в розетке переменного тока.

Если вы представите компьютер с содержащимися в нем (обычно в виде регулярных массивов) триллионами битов, то поймете, почему метафора Шеррингтона тут применима. Когда компьютер работает на огромных скоростях, свойственных современным технологиям, узоры из триллионов напряжений движутся в электронном танце, изменяясь миллиарды раз за секунду. А уж для фильмов эти движения сплетаются в целостную ткань.