Принцип роботи компʼютерних обчислень

Електрична напруга може бути використана для передачі цифрових значень.

Абстрактно:

• є напруга (вища напруга) = стан увімкнено = 1;
• немає напруги (нижча напруга) = стан вимкнено = 0.

Це повністю підходить під математичну двійкову систему числення. У ній кожен розряд може бути лише нулем або одиницею і зростає у значеннях степені двійки.

Кодування інформації

Цей простий принцип «увімкнено/вимкнено» дозволяє компʼютеру кодувати будь-яку зрозумілу людині інформацію в цифровий формат, наприклад:

• Текст — використовується стандарт таблиці символів (наприклад, Unicode), де кожна літера, цифра чи емодзі має власний унікальний числовий код, який компʼютер бачить як набір нулів та одиниць.
• Зображення — розбивається на матрицю пікселів. Колір кожного пікселя кодується числами (наприклад, рівнем інтенсивності червоного, зеленого та синього кольорів — RGB).

Апаратна основа обчислень

Щоб оперувати масивами нулів та одиниць, компʼютер використовує транзистори — мікроскопічні електронні перемикачі. Вони обʼєднуються у спеціальні мікросхеми — логічні вентилі (базові логічні операції «І», «АБО», «НІ»).

Щоб зробити ці обчислення практично корисними, фізичні масштаби системи мають бути колосальними. Сьогодні на одному кристалі кремнію площею в кілька квадратних сантиметрів розміщуються десятки мільярдів транзисторів.

Будь-яка, навіть найскладніша компʼютерна програма на апаратному рівні розкладається на гігантську послідовність таких примітивних операцій над бітами.

Продуктивність

Типовий сучасний процесор має 8–12 ядер і працює на частоті близько 4 ГГц (4 мільярди тактів на секунду). Це дозволяє виконувати близько 100–200 мільярдів інструкцій за секунду (GIPS).

Така швидкість дозволяє непомітно для людини виконувати складні математичні обчислення, плавно малювати графічні інтерфейси та миттєво передавати дані іншим компʼютерам мережею. Межею можливостей виступають фізичні характеристики апаратних компонентів, з яких зібрана система.