Представьте: вы с другом в детстве живете в разных домах, и окна ваших комнат выходят друг на друга. Вечером, когда вас зовут на ужин по домам, вы больше не можете общаться со своим другом, ведь ввиду возраста у вас еще нет телефонов (вот было время...). Зато родители подарили каждому из вас по фонарику.

Вы заранее договорились, что один клик фонариком — это привет, два клика — пока, да и вообще каждому количеству кликов можно придать свое значение. Например, моргаете 8 раз, и по вашей договоренности друг понимает, что вы предлагаете встретиться завтра во дворе в 8 утра. А как быть, если нужно передать сообщение, о котором вы заранее не договаривались?

Тут мы подбираемся к сути кодировки: кодирование — это есть замена одной единицы информации на другую, которая в данных условиях просто удобнее передается. Вы несете одинаковый смысл и когда говорите слово «привет», и когда мигаете фонариком один раз. Первое, что приходит в голову, когда нужно расширить ваши возможности общения, — это закодировать буквы по алфавиту, где А — 1 щелчок, а Я — 33 щелчка, и с помощью букв уже собирать любые слова. Но, конечно, не все так просто.

Трудности перевода

Тут мы сразу сталкиваемся с проблемой: фраза «Я еду к бабушке на 3 недели» могла бы занять 221 щелчок при условии, что пробел — это пауза, а число 3 — три сигнала. Понятное дело, легко сбиться со счета, да и времени на сон не останется. Но ведь закодировать ваши буквы можно более кратко!

Пока что мы использовали только одно состояние фонарика — момент, когда он моргает. Однако его выключенное состояние тоже можно использовать во благо передачи послания, ровно как и длительность момента, когда он светит.

Думаю, на этом моменте многие догадались, о чем я говорю. Это, по сути своей, и есть вариант азбуки Морзе. Наши моргания фонариком разной длительности — это тире и точки, и скоро я более подробно расскажу, почему это так важно для современного мира. Важный момент: данный вид кодирования — точка и тире — это не три разных состояния (короткий, длинный, пустота), а просто разная длительность одного и того же импульса.

От азбуки Морзе до современного компьютера — совсем небольшой шаг. Принципиальная разница кодирования компьютерной информации в том, что нет разной длительности сигнала — есть всего два строгих состояния.

Так родился «бит», сокращение от binary digit, двоичная цифра — тот самый щелчок фонарика, где свет либо горит, либо нет, что соответствует единице или нулю, и никаких средних значений между ними.

Именно эта простота и оказалась практичной и очень удобной: два состояния легко хранить, легко передавать и почти невозможно перепутать. Любой файл на вашем компьютере, который вы хотите передать своему другу, устроен точно так же, как наши ночные переговоры. Это все та же последовательность вспышек фонарика, которые очень быстро передают закодированную в ноль и единицу информацию. А задача современных компьютеров — управлять ей и сразу расшифровывать ее в наглядный для человека вид.

От оптики к электричеству

Но как перейти от такого простого фонарика к компьютеру? Да, все мы слышали про нолики и единички внутри компьютера и теперь даже знаем, что это некий вариант передачи информации с двумя состояниями. Давайте разберемся.

Вспомним, что собой представляет фонарик: его главные части — это батарейка, лампочка и кнопка, которые по очереди соединены проводами в цепочку. Ток идет по проводам только тогда, когда цепочка проводов замкнута и нет разрывов, за что отвечает кнопка. А спиралька лампочки нагревается и светится, когда находится в такой замкнутой цепочке и пропускает через себя поток электронов, ну или по-простому — ток.

Минус фонарика в том, что его свет не проходит через дома, и еще его плохо видно в туманную погоду. Одна стена между вашими окнами — конец связи. Но вы, как находчивые ребята, которые очень сильно хотят общаться по вечерам, вспоминаете об устройстве фонарика.

Вы покупаете две лампочки, две кнопки, две батарейки и длинную катушку медного провода. Каждый из вас имеет в комнате лампочку и выключатель от лампочки друга.

Плюсом мы получаем возможность общаться с другом, даже если он все же уедет в деревню к бабушке. Все, что нужно — это протянуть достаточно длинные провода до другого населенного пункта. Поздравляю — вы только что создали телеграф! Одно из важнейших изобретений человечества, сохраняющее огромные ресурсы по времени и затратам для передачи информации.

Если вкратце, наша проблема — это сопротивление проводов. Дело в том, что ток, который по ним бежит, становится тем слабее, чем длиннее линия электропередач. И эта задача настолько серьезная, что если ее не решать, то до лампочки друга попросту не будут доходить наши послания.

Телеграфные столбы

Реализуем повторение сигнала. Посреди линии, где-то в промежуточном населенном пункте, поставим вышку, на которой сидел бы наш третий товарищ. У него будет лампочка от нашего фонарика и ключ от фонарика получателя. Выходит так, что на линию в одну сторону приходятся две независимые цепи со своим источником питания. Готово! Сколько раз моргнет мой фонарик, столько раз должен нажать кнопку посредник.

Знакомьтесь — электромагнитное реле! Устроено очень просто. Если взять провод и накрутить его вокруг карандаша, например, то получится катушка. Теперь если эту катушку сделать таким же участком цепи, как лампочка, она начнет генерировать магнитное поле. Мы получили электромагнит, который работает, только когда через него проходит ток.

Воспользуемся этим и разместим рядом пластинку из железа, чтобы конструктивно эта пластинка являлась перемычкой между двумя проводами. Как раз теми, которые являлись контактами фонарика номер два.

То есть на вышке-повторителе теперь вместо третьего лица, которое могло бы читать нашу переписку и время от времени что-то делать не так, находится реле, которое и состоит из катушки и перемычки. Главное — добавить какого-нибудь рода пружинку, которая разрывала бы цепь, возвращая пластинку в исходное положение, в случае если магнит не работает.

Задача моего «фонарика» теперь — приводить в действие катушку, которая, в свою очередь, притягивает пластинку, являющуюся новым переключателем для фонарика друга. У нас получились две цепи, каждая со своим независимым источником питания, из-за чего сопротивление больше не является проблемой. Слабый сигнал извне породил новый, мощный сигнал, который летит к следующему столбу, которых может быть много. Мы изобрели реле — первый в мире выключатель, который нажимается не пальцем, а электричеством.

Снижайте расходы до 80% в облачных серверах Selectel

Подключите прерываемые ВМ и функцию «Заморозка» в панели управления.

Подробнее →

Секретный язык реле

Если реле — это просто выключатель, которым управляет не рука человека, а электрический ток, то перед нами открывается любопытная возможность. Ничто не мешает соединить два таких реле друг с другом так, чтобы одно решало судьбу другого: включать его или выключать. Мы теперь не просто зажигаем лампочку: соединяя реле друг с другом, мы строим целую цепочку зависимостей, где одно устройство решает судьбу другого.

И чем длиннее становится эта цепочка, тем ближе мы подбираемся к моменту, когда железки и провода начинают вести себя так, будто «думают». Но зачем нам это?

Представим, что к нашему новому телеграфу (который уже способен передавать информацию на любое необходимое расстояние) нужно подключить не только нас с другом, а еще и связать других людей между собой. По сути, мы могли бы провести провода между домами всех людей. Но даже если провести такие линии хотя бы только для одного человека со всеми остальными (только один из восьми миллиардов сможет позвонить любому другому, а все остальные — только этому избранному), то на нашей планете не нашлось бы столько меди для проводов. А люди хотят звонить не только вам, но и другим своим знакомым. Здесь помогут логические вентили.

Идея вентилей возникла из вполне практической нужды: инженерам начала XX века, строившим телефонные станции, требовалось автоматически принимать простые решения — соединять абонентов и направлять сигнал по нужному пути, — не привлекая для этого человека на каждом шагу.

Оказалось, что расположение обычных реле в цепи само по себе способно выражать логическое условие. Так родился первый и самый строгий вентиль — «И» (AND).

Берем два реле и ставим их одно за другим, последовательно, на одном и том же проводе. Ток сможет добраться до конца пути только в одном случае: если сработают оба механизма сразу. Это похоже на дверь с двумя замками: она откроется, только если у вас есть и ключ А, и ключ Б. Такой вентиль нужен именно тогда, когда правило требует одновременного выполнения нескольких условий — например, «пропустить сигнал, только если сеть свободна и абонент снял трубку».

Второй вариант — вентиль «ИЛИ» (OR), и он решает ровно противоположную задачу. Провода от двух реле подключаются не последовательно, а параллельно, бок о бок. Теперь току совершенно неважно, какое именно реле сработало: маршрут открыт, если включено хотя бы одно из двух. Такой вентиль понадобился там, где условий для срабатывания несколько, но достаточно любого из них — скажем, «поднять тревогу, если сработал датчик дыма или датчик температуры». Без «ИЛИ» пришлось бы строить отдельную цепь на каждый возможный вариант, а с ним одна и та же логика умещается в пару проводов.

Именно из этой практической необходимости — экономить провода, реле и человеческий труд — и родилась логика в железе, та самая, которую математик Джордж Буль еще раньше описал формулами, даже не подозревая, что она однажды заработает на выключателях. Комбинируя «И», «ИЛИ» и их напарницу «НЕ» (инверсию, переворачивающую сигнал наоборот), можно закодировать почти любое условие: если то и это — тогда так, а если ни то, ни другое — иначе. Железо не мыслит и не осознает, но способно обрабатывать условия так, как будто немного умеет рассуждать.

Когда железо начинает считать

Итак, у нас с вами уже целый склад деталей: реле, которые научились говорить друг другу «и» и «или». Осталось решить: зачем нам это вообще нужно? Оказывается, из этих же самых вентилей можно собрать не просто дверь с логическим условием, которая бы пропускала сигналы, а настоящий калькулятор и даже компьютер. Давайте попробуем сложить два числа (или, в нашем случае, наличие или отсутствие тока на проводах) так, как это делает электричество — то есть без единого пальца, только фонариками, током и реле.

В нашей системе есть только 0 и 1. Сложить 0 и 0 — легкотня: оба фонарика молчат, и на выходе темно. Сложить 1 и 0 — тоже не трудно: один друг моргнул, другой нет, значит, сигнал просто нужно пропустить дальше, как есть. С этим прекрасно справляется уже знакомый нам вентиль «ИЛИ»: если сработало хоть одно реле, значит, есть свет на выходе.

А если оба моргнули одновременно, то нужно сложить 1 и 1? В мире, где на почте есть только конверты «есть письмо» и «нет письма», цифру «2» мы заменим на «10».

Значит, нашей схеме нужно уметь замечать этот особый случай, когда моргнули оба сразу. Тут-то и пригождается наш второй вентиль, «И», который мы вешаем на ту же самую пару проводов, что и «ИЛИ».

Представьте это как двух охранников на одной двери: первый («ИЛИ») просто докладывает «кто-то пришел», а второй («И») дремлет и просыпается только в одном случае — если пришли оба гостя одновременно. Пока на входах разное или пусто, «И» молчит, а «ИЛИ» честно показывает сумму.

Но стоит прийти двум единицам сразу — «И» срабатывает и отправляет отдельный импульс на выход в соседний разряд, а на основном выходе свет в этот момент гаснет: там теперь честный ноль, ведь мы же договорились, что 1+1 — это «10». Такая парочка вентилей — «ИЛИ» для суммы и «И» для переноса — и называется полусумматором. По сути, это «первый в мире калькулятор» на одно-единственное действие: сложить два бита.

И вот он, момент истины. Вы подаете два импульса тока на горстку совершенно бездушных реле — металл, пружинки, катушки, ни капли мозгов, — а на выходе получаете ровно то же самое, что получил бы первоклассник, складывая столбиком в тетрадке. Механический щелчок пластинки в этот момент становится математическим действием. Все время до этого момента мы занимались передачей и транспортировкой сигнала, но сейчас мы получаем настоящее вычисление.

Наш полусумматор умеет складывать только два бита. Он не умеет принимать в расчет перенос, который прилетел из предыдущего разряда. Ведь когда вы складываете в столбик не однозначные, а многозначные числа, в каждый разряд, кроме самого первого, приходится добавлять еще и ту единичку, что перешла снизу. Добавьте к нашей схеме еще один слой вентилей, который умеет принимать три сигнала вместо двух — и вот у вас уже не полусумматор, а полноценный сумматор, готовый складывать числа любой длины, если выстроить такие блоки в цепочку, как вагоны поезда.

Технологический прогресс

На этом инженеры не остановились. Тем же самым языком реле — теми же «И», «ИЛИ» и «НЕ» — можно описать и вычитание (что, по сути, то же сложение, только с отрицательным числом), и сравнение (какое число больше — тоже вопрос, на который отвечает комбинация из нескольких вентилей), и даже умножение, которое является всего лишь многократным сложением, повторенным нужное количество раз. Если собрать особым образом все эти узлы (сумматоры и схемы сравнения), получится то, что инженеры позже назовут арифметико-логическим устройством, что, собственно, и является сердцем любого процессора.

Единственное, чего не хватало нашим реле, — это скорости и размера. Механическая пластинка не может щелкать миллиарды раз в секунду, да и вышка с катушками провода не поместится в кармане. Но принцип, который мы с вами изобрели у окна с фонариком, никуда не делся. Просто вместо кусочка железа, притягиваемого магнитом, инженеры научились использовать крошечный кристалл кремния — транзистор, — который открывает и закрывает путь току ничуть не хуже реле, только в миллиард раз быстрее и в миллионы раз мельче.

Если уменьшить наши громоздкие катушки до размера, невидимого невооруженным глазом, и уместить миллиарды таких переключателей на пластинке размером с ноготь, то можно получить настоящий процессор. Тот самый, что прямо сейчас где-то в вашем телефоне или ноутбуке миллиарды раз в секунду повторяет тот же самый фокус, который когда-то придумали два друга с фонариками в окнах: зажечь свет, погасить свет и превратить эту простую вспышку в текст, после прочтения которого устройство современной техники перестает быть волшебством, но все равно обладает своей магией.

И если оглянуться назад, то весь этот путь — от двух окон во дворе до кристалла кремния в вашем кармане — на самом деле состоит из одной-единственной идеи, повторенной миллиарды раз подряд. Мы не изобретали ничего принципиально нового на каждом шаге: мы просто раз за разом отвечали на один и тот же вопрос — как договориться о смысле, имея в распоряжении только «есть сигнал» и «нет сигнала».

Как вы внедряете ИИ?

Поделитесь своим опытом за 7–10 минут. Разыгрываем 5 сертификатов по 1 500 ₽ на маркетплейсе и 10 наборов мерча.

Ответить на вопросы →

Азбука Морзе ответила на него длительностью импульса. Реле ответило на него магнитом и пружинкой. Вентили ответили на него тем, как именно эти реле соединены друг с другом. А транзистор ответил на него так же, только в миллиард раз быстрее и в миллион раз мельче.

Забавно, что мы привыкли думать о компьютерах как о чем-то бесконечно сложном и далеком от повседневной жизни — а на деле в основе лежит ровно та же логика, что и в детской игре с фонариком за окном.

Спасибо за прочтение! Буду рад вашим комментариям.