Троичные ЭВМ и перспективы их использования в современной вычислительной технике

В данной статье автор анализирует троичные ЭВМ, их достоинства и недостатки, сравнивает с двоичными ЭВМ, рассматривает перспективы развития в современной вычислительной технике.

В процессе развития вычислительной техники ЭВМ претерпели значительные изменения. За короткий срок они развились из огромных машин, которые могли занимать целые этажи в устройства, способные поместиться на ладони. Одним из таких изменений является двоичная логика. На сегодняшний день, вся вычислительная техника, которой мы пользуемся, основана на двоичной логике. Это значит, что все данные на низком уровне представлены в виде нулей и единиц. Выбор в пользу двоичной логики был сделан по той причине, что это помогло максимально просто описать логические операции и арифметические функции.

Как известно из «закона Мура» производительность компьютера увеличивается вдвое через каждые два года. Но в скором времени могут возникнуть технические сложности и для того, чтобы увеличить мощность процессоров придется либо увеличивать их размеры, либо уменьшать размеры транзисторов, из-за чего стоимость их производства и продажи может значительно возрасти. В качестве альтернативного метода увеличения производительности автор предлагает рассмотреть возможность разработки троичных ЭВМ.

Двоичные ЭВМ были не единственным путём развития вычислительной техники. В процессе конструирования ЭВМ инженеры рассматривали и другие решения. Так, например, рассматривалась более привычная для человека система счисления – десятичная. Так же, в 1958 г., в СССР под руководством Н.П. Брусенцова была сконструирована «Сетунь» – первая в мире ЭВМ, основанная на троичной логике. Она прекрасно показала себя, а по некоторым параметрам оказалась даже лучше, чем двоичные машины того времени [2].

Троичная логика – первая в мире из многозначных логик. Она использует три состояния:

·     "истина";

·     "неизвестно" или "может быть";

·     "ложь".

Логике, которая работает с тремя состояниями лучше всего соответствует симметричная троичная система счисления. В ней используются следующие элементы:

·     "1" или "+" – истина;

·     "0" – неизвестно или может быть;

·     "-1" или "-" – ложь.

Таким образом, троичная логика является наиболее естественной с точки зрения человеческого мышления, т.к. процесс познания реальности не сводится к категоризации на "да" и "нет" и прекрасно подходит для описания состояния неопределенности. Сам Брусенцов отмечал, что компьютер станет по-настоящему интеллектуальным, только тогда, когда он будет основан на троичной логике [1]. Дональд Кнут так же утверждал, что троичная логика элегантнее и эффективнее двоичной и в будущем, возможно, вновь вернутся к её разработке [3, с. 231].

Достоинства троичных ЭВМ:

·     разрядность – для хранения некоторых чисел в памяти в троичной системе счисления требуется меньше разрядов;

·     ёмкость – один трайт, состоящий из 8-ми тритов, вмещает больший диапазон чисел, чем один байт;

·     быстродействие – один разряд в троичной ЭВМ за такт передаёт один трит, у которого три состояния, один разряд в двоичных ЭВМ передаёт один бит, имеющий два состояния, т.е. за один такт троичная ЭВМ передаёт в 3/2=1,5 раза больше чисел (кодов), чем один двоичная;

·     плотность записи информации - наибольшей плотностью записи информации обладает система счисления с основанием равным основанию натуральных логарифмов, то есть равным числу Эйлера (е=2,71…) [5, c. 37];

·     троичная логика включает в себя двоичную, т.е. троичные ЭВМ способны делать почти всё, что делают двоичные.

Недостатки троичных ЭВМ:

·     сложность в обеспечении совместимости с двоичными ЭВМ;

·     массовость и дешевизна двоичных ЭВМ;

·     сложность и дороговизна производства аппаратного и программного обеспечения для троичных ЭВМ.

В рамках исследования автором был проведен эксперимент по сравнению быстродействия между троичной и двоичной ЭВМ. Для этого была разработана виртуальная троичная машина. Она написана на языке программирования С++ с использованием библиотек Qt. В ней были описаны следующие сущности:

· Ternarybit – тип трит, минимальная единица измерения информации, аналогична биту в двоичной машине. Содержит описание всех возможных состояний трита;

· Ternarybyte – тип трайт, аналогичен двоичному байту. Один трайт содержит в себе 6 тритов;

· единый тип TernaryInt – состоит из 20-ти тритов. Единый тип для любых данных;

· teg – флаг, значение которого определяет тип хранимых данных. Теговая архитектура памяти должна обеспечить независимость программ от данных [4];

· map – контейнер, содержащий правила взаимодействия между типами.

Так же были описаны базовые логические операции и арифметические функции.

Для проведения эксперимента была написана программа, которая выполняет базовые логические операции с большими массивами данных. Программа запускалась 20 раз на троичной и двоичной ЭВМ, время выполнения программы фиксировалось. После чего вычислялся средний показатель времени выполнения.

Рисунок 1. Сравнение среднего времени выполнения на троичной и двоичной машине

Как видно из рисунка 1, программа, запущенная на виртуальной троичной машине в среднем работала на 0.01с медленнее. Отставание в скорости работы программы вызвано неоптимизированным ассемблерным кодом виртуальной машины и количеством преобразований (из десятичной логики в троичную, из троичной в двоичную и обратно). Тем не менее, такая маленькая разница скорости выполнения – это хороший показатель для виртуальной троичной машины.

По результатам проведенного исследования можно сделать вывод, что в будущем, при должном развитии троичных ЭВМ, скорость обработки информации в них может быть выше, и, вполне вероятно, они могут стать достойными конкурентами двоичных машин. Так же, троичная логика прекрасно подойдет состояние «неопределенности» прекрасно подходит для описания одного из возможных состояний параметров агентов в системах принятия решений. Основная проблема заключается в том, что двоичные ЭВМ широко распространены и необходимо много временных и финансовых затрат для того, чтобы развить троичную вычислительную технику до современных мощностей и запустить её массовое производство.