A B C D E F

С помощью бита можно описать два варианта. Но это очень мало. Представьте себе язык, в котором всего два слова. Для того чтобы «слов» появилось больше, нужно объединять биты в группу и называть (кодировать) что-то группой битов.

При объединении двух битов получается 4 варианта: 00, 01, 10, 11. При объединении трех битов получается 8 вариантов: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111. Математика (теория соединений) дает следующую формулу для подсчета числа вариантов размещения двоичных цифр (независимых кодов) в заданном числе групп (разрядов):

N = 2^M

Где N – число независимых вариантов (кодов);

М – число битов, объединенных в группу (число разрядов).

Если же мы возьмем другую систему счисления, то там вместо двойки будет стоять основание данной системы счисления. Например, для десятичной системы будет:

N = 10^M

Сколько в десятичной системе может быть трехзначных чисел? N = 10³ = 1000. Действительно в интервале от 000 до 999 существует 1000 вариантов.

В компьютере для кодировки используется стандартное объединение: 8 бит объединяются в один байт.

В компьютере биты объединяются в байт для того же, для чего в человеческом языке буквы объединяются в слова: чтобы иметь возможность именовать объекты и явления окружающей среды. Только в отличие от естественных языков, компьютерное «слово» – байт имеет всегда одну и ту же, стандартную длину: 8 «букв» – бит.

Объединение битов в байты настолько важно, что величина компьютерных файлов измеряется именно в байтах, а не в битах. А вот при передаче данных по сети смысл передаваемых сообщений не имеет значения. И скорость передачи данных измеряют в бит/сек.

С помощью одного стандартного байта, или 8-разрядного кодирования можно получить 256 вариантов размещения нулей и единиц, поскольку 2⁸ = 256

Для кодировки информации часто требуется существенно большее число независимых кодов. Технически это осуществляют объединением уже не битов, а байтов. Как исключение, используют полбайта, но не менее.

Таблица 1. Число независимых кодов, получающихся при объединении нескольких байт.

Важно понять и запомнить, что при объединении байтов число созданных независимых кодов получается не с помощью сложения, а с помощью умножения. Для двух байтов получается не 256 + 256 = 512 кодов, а 256 х 256 = 65536 кодов.

Примеры различных кодировок.

Одним байтом кодируются символы стандартной клавиатуры. 256 кодов хватает для описания аппаратных команд, символов стандартной английской клавиатуры и национальных систем кодировки (в России это кириллица).[2]

Двумя байтамикодируются символы текста в кодировке Unicode. Получается свыше 65 тысяч независимых кодов, и в это множество можно сместить символы всех существующих на Земле алфавитов (причем около 70% этого множества занимают китайские иероглифы) плюс различные служебные обозначения (азбука Морзе, штрих-коды, шрифт Брайля, для слепых и пр.).

Тремя байтамикодируется цвет в цветовой модели RGB(Red, Green, Blue). Она используется для описания цвета в большинстве электронных устройств: мониторах и телевизорах, сканерах, цифровой фото- и видеоаппаратуре (практически везде кроме принтеров и других печатных устройств). Везде имеются невидимые невооруженным глазом пиксели красного, синего и зеленого цвета, и для каждого из трех цветов можно установить 256 уровней яркости. Таким образом можно создать 256³ или около 17 миллионов цветов. Человек столько цветовых оттенков различить не может, но таковы правила описания цвета в компьютере.[3]

Четырьмя байтамиописывается IP-адрескомпьютера, находящегося в сети Интернет. Таким образом, в современном Интернете одновременно может находиться не более 4 миллиардов 300 миллионов компьютеров. Столько зарезервировано адресов в Глобальной сети. А без адреса компьютер не сможет ни передать, ни получить информацию, то есть его в сети не будет.

Производные от байта величины ¾ килобайт, мегабайт, гигабайт и т.д.

В таблице 2 представлены десятичные приставки и множители, принятые в Международной системе единиц

Таким образом, «кило» – единица измерения, которая в тысячу раз больше исходной, «гига» - в миллиард раз больше исходной, а «нано» - в миллиард раз меньше исходной. 103, 106, 109, 1012 – разница между единицами, имеющими названия, всегда составляет 3 порядка.

Однако у килобайта есть отличие от килограмма или километра. В 1 Кбт не 1000, а 2¹⁰ байт или 1024 байт.

1 Кб = 1024 байт.

То есть, берут ближайшую к тысяче степень двойки. Потому что в компьютере используется двоичная система счисления. Если там допустить десятичную систему счисления, то очень сильно упадет производительность, и компьютер зависнет.

Аналогично 1Мбт = 210 Кбт или 1024 Кбт или 1048576 байт;

1 Гбт = 2¹⁰ Мбт. или 1024 Мбт или 1073741824 байт.

Можно заметить, что с ростом величины различие между двоичной и десятичной системами нарастает. На уровне тысячи разница составляет 2,4%, на уровне миллиона – около 4,9%, а на уровне миллиарда – уже 7,4%. Обычно об этой разнице в несколько процентов забывают, но бывают случаи, когда учитывать данные различия необходимо.

1.2. Нанотехнологии.

Согласно определению, нанотехнологиями называются технологии работы с объектами, размер которых хотя бы в одном измерении не превышает 100 нанометров.

В нанотехнологиях размер объектов измеряется в нанометрах (нм). 1 нм = 10^{-9 м. То есть это одна миллиардная часть метра (см. таблицу 2).}

Это не обязательно компьютерные технологии. Например, получено много поверхностей с ультратонкими слоями в несколько атомов, которые обладают уникальными свойствами: одни химически инертны, другие обладают очень низким трением, на третьих не задерживается грязь. Существуют тонкие и очень прочные нанонити, наночастицы, в которых, как в закрытой банке, можно хранить газы (водород). И множество других наноструктур с уникальными свойствами.

Таким образом, приставка «нано» означает не новое или современное, а очень небольшое по размеру.

Современные нанотехнологии позволяют создавать элементарные ячейки микрочипов размером порядка 100 нанометров. Из таких ячеек построены электрические схемы различных микрочипов (микросхем). В одной ячейке хранится элементарный квант информации: двоичный 0 или двоичная 1. Сейчас имеется несколько стандартов для элементарных ячеек микросхем:

· 130 нм – хорошо освоенная, даже устаревшая технология;

· 40 нм – современная технология;

· 18 нм – перспективная, осваиваемая технология.

Радиус атома кремния, из которого в основном состоят микрочипы, равен 0,13 нанометров. Получается, что в микросхеме по технологии 130 нм отдельная ячейка имеет объем 500х500х500 атомов. А 40 нм будет соответствовать 150х150х150 атомов.

К микросхемам, где используются нанотехнологии, относятся процессор и другие чипы материнской платы, оперативная память, флэш-память и многие другие устройства компьютера. Именно нанотехнологии позволяют создавать устройства с производительностью в несколько миллиардов операций в секунду, с объемом памяти в триллионы байт.

Такие устройства имеют очень сложную структуру, они состоят из миллиардов элементов, имеющих разветвленные связи друг с другом. Человеку не под силу детально спроектировать такую структуру – только общие принципы архитектуры и взаимодействие достаточно крупных блоков. А создание конкретных структурных единиц осуществляется автоматически, с использованием промышленных роботов.

Причем воспроизвести современные, достаточно сложные микрочипы давно уже практически невозможно. Легче создать собственные микросхемы, пригодные для решения поставленных задач. Так, в 80-х годах прошлого века компанией Intel были разработаны для использования в ПК процессоры марки 286. Их технические характеристики были в сотни раз хуже современных процессоров, но для того времени это была самая передовая техника.

И вот одна тайваньская фирма захотела создать копию этого процессора. Копирование проводили следующим образом: срезали очень тонкий микрослой, сканировали открывшуюся структуру, потом срезали новый слой, сканировали и так далее. Операцию проводили в 3-х плоскостях, при сопоставлении слоев получилась точная объемная копия процессора. На эту работу пришлось затратить около 5 лет, а за это время Intel разработала сначала 386-е процессоры, а затем 486-е. Посмотрели тайваньские специалисты на 486 процессор, и поняли, что на расшифровку его структуры потребуется около 20 лет. А за это время расшифрованная структура безнадежно устареет. То есть работа лишается смысла.

Еще одна интересная особенность: для создания микрочипов не требуется значительного количества дорогих, дефицитных материалов. Основной материал, из которого состоят чипы – это кремний. Плюс небольшие количества добавок для создания нужного типа проводимости. А кремний является одним из самых распространенных элементов на нашей планете: песок, камень, земля обычно содержат 20-45 масс% кремния.

Берут песок, выделяют из него чистый кварц (оксид кремния, SiO2), затем кремний. Из кремния вытягивают монокристаллы, это совершенные кристаллы, не имеющие дефектов. Монокристаллы режут, получая заготовки для производства чипов. А песок можно найти в избытке везде: в Калифорнии, Сингапуре и любом другом месте.

А дальше создают структуру процессоров и прочих микрочипов, внося на микроучастки точно дозированные количества микропримесей. Таким путем получают диоды, транзисторы, конденсаторы, сопротивления и прочие компоненты электрической схемы, имеющие наноразмеры.

К сожалению, в компьютерных технологиях за десятки лет разработки по многим позициям достигли физических пределов, диктуемых законами природы. Сейчас ведется работы по поиску принципиально новых элементов вычислительной техники, которые позволят работать с отдельными атомами, и даже внутри атома, что обеспечит радикальное повышение производительности.

1.3. Аппаратные платформы

Совместимость по аппаратной платформе означает, что компьютеры состоят из узлов и приборов, которые имеют одинаковую систему команд и кодировки данных, и потому могут быть взаимозаменимы. Хотя это и не обязательно – если устройства сильно отличаются по техническим характеристикам, то одно на другое заменить нельзя. А вот для разных аппаратных платформ все составные части полностью различны и несовместимы.