El sistema informático actual utiliza binario como plataforma digital en puertas lógicas. ¿Cuáles son las limitaciones para que tres estados representen 0, 1 y 2?

Los circuitos del mundo real nunca funcionan de la manera simple que usted espera. Está sujeto a variaciones debido a la temperatura, la humedad, la edad y el ruido recogido por otros componentes. Dos componentes producidos al mismo tiempo serán ligeramente diferentes debido a imperfecciones en los materiales. Los avances que tenemos hoy se deben en gran parte a la comprensión de la naturaleza de las variaciones y la capacidad de reducir la varianza en las partes en un grado mucho mayor que lo posible anteriormente. Sin embargo, los componentes electrónicos nunca serán perfectos, solo lo suficientemente cerca.

La electrónica analógica utiliza señales que varían, generalmente de forma continua. Pequeños defectos en la señal a medida que viaja a través de los diversos componentes es algo que puede minimizar pero no puede eliminar. En una radio barata, los defectos de la señal de audio (distorsión) serán mucho mayores que en un sistema de audio de alta calidad porque el sistema más costoso se diseñará con mejores componentes y características de diseño que ayuden a mejorar el entorno con el que deben lidiar los componentes. Sin embargo, ambos sistemas realizan la tarea simple de permitirle escuchar música. Si está escuchando música con mucho ruido de fondo a su alrededor, es posible que no pueda notar la diferente calidad de las dos radios.

En electrónica digital es mucho más importante hacer las cosas perfectas.

Desafortunadamente, la electrónica digital es en realidad de naturaleza analógica, pero está diseñada para buscar un estado de encendido o apagado lo más rápido posible. Esto es muy importante porque mientras la señal está en transición entre dos estados, pasa un tiempo en un estado parcialmente activado. Este estado parcialmente activado causa dos problemas.

1. ¿Cómo sabes qué estado es el correcto?
2. La electrónica consume más energía que cuando la señal está encendida o apagada.

La solución a los primeros problemas es definir un rango de valores que defina los estados en lugar de simplemente activar o desactivar por completo. Esto también permite que las variaciones en los componentes y los circuitos se ignoren tanto como sea posible.

El segundo problema es que con la gran cantidad de componentes requeridos por una computadora, el desperdicio de energía es un problema importante para tratar. Por esta razón, las CPU y la memoria modernas usan voltajes muy bajos internamente para reducir el uso de energía. El lado negativo de los voltajes más bajos es que la diferencia entre encendido y apagado es mucho más pequeña y más difícil de detectar. Con la memoria, este problema es mucho peor porque puede almacenar datos durante mucho tiempo y la carga en las celdas de almacenamiento varía con el tiempo.

En un sistema binario, solo tiene 2 estados para una señal 0 y 1. Definido por dos umbrales, y cualquier cosa intermedia no es válida, pero se puede determinar cuál fue el último estado válido.

Si usó una señal de 3 estados 0, 1, 2 ahora tiene 4 umbrales y no puede estar seguro del valor hasta que alcance su estado final porque la transición de 0 a 2 significa cruzar los valores de 1 en el camino. Esto también significa que la señal está parcialmente encendida y desperdiciando energía en el estado 1. Tener tres estados también aumentaría enormemente la complejidad del hardware, lo que consumiría más energía y ralentizaría las cosas.

Dicho todo esto, hay algunas aplicaciones en las que se utilizan más de 2 estados, como la memoria flash. En esta aplicación, la complejidad del circuito de usar más de 2 estados se ve superada por la capacidad de almacenar más datos en una sola celda de almacenamiento. Sin embargo, esto viene con sus propios problemas, como errores de datos debido al envejecimiento, que se mitiga un poco utilizando el envejecimiento celular y la corrección de errores digitales.

El rendimiento de escritura también se ve afectado, pero esto se soluciona mediante el almacenamiento en caché y la escritura de datos en paralelo para ocultar el problema.

Se ha jugado con mucho, hasta el punto de que la lógica ternaria se entiende bastante bien para aquellos que eligen estudiarla, pero en general carece de aplicaciones útiles. Si no recuerdo mal, ENIAC hizo algo así con valores decimales, y esa técnica en particular no llegó a las computadoras modernas.

Esencialmente, el problema es la inteligibilidad de la señal. Cada nivel de voltaje que agregue entre 0 y 1 contribuye a la posibilidad de que una señal pueda terminar sin remedio por algo tan peatonal como una batería baja. (El hecho de que esto es precisamente lo que hacen las transmisiones de radio digital no es relevante aquí; para eso está la corrección de errores). Tener un umbral bien definido para cruzar significa que si tiene una señal confusa, lo sabrá porque está no obtener datos en absoluto en lugar de datos ambiguos.

En otras palabras, puede hacer que la lógica ternaria o decimal funcione, claro, pero ¿por qué molestarse en algo más grande que una demostración en el aula?

Lo que es más genial que 0, 1 y 2, es -1, 0 y 1 (ternario equilibrado). Hace que las matemáticas en general, y trabajar con números negativos en particular, sean súper fáciles.

Pero, como dice la respuesta de Irné Barnard, ¡la comunicación moderna es mucho más que binaria de todos modos! Por ejemplo, un módem ADSL envía 15 bits en un solo impulso eléctrico (un amigo de EE me mostró algunos gráficos, y aunque no lo entiendo, parece un objetivo, donde muchos puntos están marcados con patrones de bits, y la señal puede “golpear” cualquiera de ellos en cada pulso para transmitir de manera efectiva todo el patrón en lugar de un solo bit).

La respuesta de Irné también dice por qué nuestras computadoras son binarias, porque los transistores y la electrónica se asignan naturalmente a ese modelo. Se han construido computadoras ternarias, y hay algunos procesos físicos que podrían mapearse naturalmente a trits, pero cualquier ventaja que tengan actualmente se puede compensar fácilmente simplemente colocando transistores más baratos y pequeños en la computadora (además, no ofrecen ninguna ventaja de un punto de vista de la teoría de la complejidad computacional, aunque en la práctica incluso las “ventajas lineales” pueden ser útiles, los algoritmos aritméticos para el sistema de números ternarios mencionan un área de chip y un consumo de energía reducidos

Vale la pena señalar que las computadoras cuánticas también son binarias: qu bits están construidos a partir de cosas que tienen dos estados discretos (al menos hasta ahora), no es que no se pueda usar otra cosa que tenga más estados estables y disponibles: Qudits: multinivel versiones de Qubits, pero probablemente sufre los mismos problemas, es decir, dificultad para controlar y leer).

Es solo que puedes poner qubits en una superposición de sus dos estados, por lo que son 1 con alguna probabilidad y 0 con alguna otra probabilidad (las probabilidades tienen que sumar una, por supuesto). O, más precisamente, puede controlar la amplitud de los dos estados, de los cuales la probabilidad es el “efecto visible externamente”. La potencia adicional, en comparación con una computadora clásica (probabilística o no), proviene del hecho de que los qubits en superposición se pueden usar como bits de control para las operaciones, y en lugar de decidir si se convierten en 1 o 0 en ese momento, se enredan con el objetivo, con el Universo haciendo cumplir las restricciones en sus estados (por lo tanto, si los mide a todos, sus resultados tendrán sentido desde el punto de vista de las operaciones que aplicó, en lugar de ser tonterías aleatorias).

Puede aumentar ligeramente el ancho de banda, pero probablemente sea perjudicial para el procesamiento.

La razón es que tener más de 2 cardinalidades por conexión mejora el ancho de banda entre dos bases, sigue siendo exponencial. Por ejemplo, 8 cables de binario pueden transmitir cualquiera de los 256 (2 ^ 8) valores en cualquier momento, pero 8 cables de ternario pueden transmitir 6561 (3 ^ 8). Por lo tanto, puede mejorar cosas como las conexiones de red. Sin embargo, tenga en cuenta que esto ya es lo que está sucediendo, especialmente en las redes hay más que solo señales de encendido / apagado que se envían.

Pero, todas esas puertas lógicas ahora se vuelven mucho más complicadas. Efectivamente, ahora necesita reemplazar un transistor con algo parecido a un lector de voltaje. Eso significa que el circuito real está mucho más involucrado para hacer la misma tarea.

Sin embargo, la razón principal se debe a la posible pérdida de señal. En las computadoras binarias, una señal de encendido tiende a estar a un voltaje específico (por ejemplo, 5 V), mientras que un apagado está a un voltaje mucho más bajo (por ejemplo, 0.2 V). Luego, el circuito funciona incluso si la señal se ha degradado de tal manera que en las señales solo se lee como 3V. Pero una vez que agrega cardinalidad adicional, significa que hay menos brecha entre los valores, por lo tanto, menos espacio para estos errores y, por lo tanto, más posibilidades de corrupción. Esto a su vez significa que los circuitos necesitan más aislamiento, protección, amplificación, etc.

Si pasa a un circuito de valores múltiples, posiblemente aumente el ancho de banda de comunicación; cada cable de tres estados puede transportar un 50% más de información que un cable de dos estados.

Sin embargo, entonces debe encontrar una lógica de tres estados adecuada, algunos de los circuitos serán más complicados y probablemente la tasa de errores aumentará, por lo que perderá parte de su mayor ancho de banda.

Según tengo entendido, la limitación es física. Usamos binario porque tiene un complemento físico, por ejemplo, corriente eléctrica.

La informática es muy rápida porque puede funcionar a la velocidad de la electricidad. Usamos binario porque 0 puede ser representado por “apagado” o sin corriente a través del componente y 1 puede ser representado por “encendido” o corriente.

Para pasar de un sistema binario a otro, necesitaríamos un nuevo correlato físico que fuera igual de rápido. Algunas personas han sugerido cosas como usar los niveles de valencia electrónica de ciertos átomos, pero que yo sepa, nada se ha hecho realmente en este campo

Editar: vea Computación cuántica para obtener más información sobre computación física no binaria

Mientras encuentre una manera eficiente de representar estos números en el nivel electrónico básico, no será de ninguna utilidad. Los ceros y unos están representados por altos voltajes bajos … nah simple … ahora piensa cómo vas a soportar el tercero.