Биты, цвет и закон Мура

Соберите число из восьми бит, разберите картинку до трёх чисел на пиксель и пройдите полвека роста числа транзисторов год за годом.

// соберите число

Восемь бит - это байт, и любое число от 0 до 255 в нём набирается единственным способом. Щёлкайте разряды: каждый следующий влево весит вдвое больше предыдущего, а внизу видно, что этот же байт означает в тексте.

Эту схему на телефоне показать невозможно: она широкая, и в мелком виде по ней ничего не разобрать. Откройте страницу с компьютера или планшета - там схема доступна целиком.

Байт: восемь разрядов

128 64 32 16 8 4 2 1

0 Пусто
Все разряды выключены. В тексте это служебный символ конца строки, а не пробел: пробел - это 32.
32 Пробел
Один разряд из восьми. Пробел - такой же символ, как буква, и занимает ровно столько же места.
65 Буква A
В таблице ASCII, принятой в 1963 году, латинской A соответствует число 65, в двоичном виде 01000001. Смысл придаёт не бит, а договорённость, как его читать.
90 Буква Z
Латинский алфавит в ASCII идёт подряд: от 65 до 90. Именно поэтому сортировка по алфавиту в программах - это просто сравнение чисел.
128 Старший разряд
Один-единственный старший бит весит больше, чем все семь младших вместе: 128 против 127.
255 Максимум байта
Все восемь разрядов включены. Больше в один байт не помещается - отсюда и берётся 256 градаций яркости в каждом канале цвета.

Число набрано разрядами. В таблице ASCII символ найдётся не для всякого значения: часть кодов служебные, а часть отведена под символы других алфавитов.

// картинка

Перед вами буква «A», нарисованная пикселями. Никакой «буквы» в памяти компьютера нет: есть сетка чисел. Переключайте вид и нажимайте на пиксели - под каждым цветом лежат три числа от 0 до 255, а под каждым числом восемь разрядов.

Нажмите на любой пиксель

На каждый цвет уходит три байта - 24 бита. Белый это 255, 255, 255: все три канала на максимуме. Чёрный - 0, 0, 0: пиксель не светится. Красная перекладина - 255, 0, 0. Та же буква «A» в тексте кодируется иначе: в таблице ASCII, разработанной в 1963 году, ей соответствует число 65, в двоичном виде 01000001. Одна и та же буква, два совершенно разных числа: смысл придаёт не бит, а договорённость, как его читать.

Картинка здесь условная, 8 на 8. Экран с разрешением 1920 на 1080 содержит более двух миллионов пикселей, каждый по три байта: один кадр весит около 6 мегабайт несжатых данных, а видео со скоростью 60 кадров в секунду - около 360 мегабайт в секунду.

// закон мура

Гордон Мур в 1965 году заметил, что число транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые два года. Тяните ползунок по годам и смотрите, во что это вылилось за полвека.

Год

1971, Intel 4004 2 300 Первый микропроцессор
Четырёхразрядный чип для калькулятора. Всё, что он умел, помещалось в две с небольшим тысячи транзисторов.
1978, Intel 8086 29 000 Начало архитектуры x86
В тринадцать раз больше за семь лет. Именно от этого чипа тянется совместимость, из-за которой x86 жив до сих пор.
1985, Intel 386 275 000 Первый 32-разрядный
Сто двадцать раз от 4004. Появилась защита памяти и многозадачность - то, на чём стоят современные операционные системы.
1993, Intel Pentium 3 100 000 Миллионы транзисторов
Тысяча триста пятьдесят раз от начала. Компьютер перестал быть редкостью в доме.
2000, Pentium 4 42 000 000 Гонка за гигагерцами
Восемнадцать тысяч раз. Через несколько лет эта гонка упрётся в тепло, и производители пойдут в многоядерность.
2006, Core 2 Duo 291 000 000 Поворот к нескольким ядрам
Сто двадцать семь тысяч раз. Частота почти остановилась, а число транзисторов продолжило расти - их стали тратить на ядра и кэш.
2012, Core i7 3-го поколения 1 400 000 000 Первый миллиард
Шестьсот девять тысяч раз от 4004. При этом рост в год уже не тот: вместо полутора раз - примерно треть.
2017, Core i9-7900X 3 000 000 000 Рост замедляется
Миллион триста тысяч раз. Уменьшать транзистор становится всё дороже: каждая новая фабрика стоит миллиарды.
2022, Core i9-13900K 26 000 000 000 Одиннадцать миллионов раз
На кристалле размером с ноготь. Если бы каждый транзистор был ростом с человека, чип занял бы площадь с Москву.
2025, Intel Panther Lake ~40 000 000 000 Физика упирается
Семнадцать миллионов раз за пятьдесят четыре года. Дальше мешают квантовые эффекты: транзистор в два-три нанометра сопоставим с несколькими атомами кремния, и электроны начинают просачиваться через барьер.

Числа - из таблицы статьи. «Нанометры» в названиях техпроцессов давно маркетинговые: физический размер затвора крупнее, но цифры удобны для сравнения поколений между собой.

1.1. Ноль, единица и всё остальное