Das Binärsystem

Gottfried Wilhelm Leibniz baute eine mechanische Rechenmaschine auf der Grundlage des Dezimalsystems.
Die Anfälligkeit der damaligen Mechanik bewegte ihn nicht mit dem Dezimalsystem, welches zur Darstellung die Zahlen 0 bis 9 benutzt, sondern mit einem Zahlensystem zu arbeiten, dass wesentlich weniger Zahlen zum Darstellen verwendet.
Er fand im Binär- oder Dualsystem die ideale Voraussetzung dafür, denn die Darstellung von Zahlen erfolgt nur durch Null(0) oder Eins(1).
Somit konnte Leibniz mit weniger Schaltvorgängen in der Mechanik die gleiche Wirkung beim Ergebnis erzielen.

Leibniz wird oft als Erfinder des Binärsystems genannt. Das ist jedoch nicht richtig. Er baute auf den Arbeiten des spanisch-italienischen Bischofs Giovanni Caramuel y Lobkowitz (*1606 - †1682) auf.
Der Ursprung des Binärsystems liegt nach heutigen Erkenntnissen vermutlich in China. Im Jahre 1050 entwickelten chinesische Gelehrten das Binärsystem.

Warum entschied sich Leibniz für das Binärsystem?

Um nur den Schaltvorgang "hin" und "her" der Mechanik in der Rechenmaschine vornehmen zu können, müssen die zu verarbeitenden Zahlen auch mit 2 Zuständen dargestellt werden können.
Dafür verwendete Leibniz die Zahlen Null(0) und Eins(1), die wie bei einem Schalter oder einem elektrischen Schütz die Zustände "an" oder "aus" signalisieren.

Jetzt konnte Leibniz jede beliebige Zahl darstellen.
Hier ein paar Beispiele:

Schalterstellung

binär

dezimal

=> 0

=> 0

=> 1

=> 1

=> 10

=> 2

=> 11

=> 3

=> 100

=> 4

=> 101

=> 5

=> 110

=> 6

Schalterstellung

binär

dezimal

=> 111

=> 7

=> 1000

=> 8

=> 1001

=> 9

=> 1010

=> 10

=> 1011

=> 11

=> 1100

=> 12

=> 1101

=> 13

Leibniz entschied sich aus Gründen der einfachen Verarbeitung in seiner mechanischen Maschine für das Binärsystem.
Er hätte sich gewundert, dass 3 Jahrhunderte später einmal die Computer-
welt weiterhin auf dem Binärsystem aufbaut.

Das Binärsystem weiterhin einzusetzen beruht auf der Tatsache, dass die mechanischen Rechenmaschinen durch elektrische Rechenmaschinen abgelöst wurden.
Relais kamen in den ersten elektrischen Rechenmaschinen oder dem 1.Computer zum Einsatz. Diese können auch nur die Zustände "an" oder "aus" annehmen.
Relais sind mit einem hohen Anteil an mechanischen Bauteilen sehr störanfällig.

Aus diesem Grund wurden die Relais durch Transistoren ersetzt. Transistoren können auch nur die Zustände "an" oder "aus" annehmen. Sie stehen einmal unter Spannung und einmal nicht.
Da Transistoren ohne mechanische Bauteile auskommen, können sie deshalb in ihren Abmaßen sehr klein gefertigt werden.

Heutige Transistoren im Bereich der Prozessor-Technologie erreichen fast schon atomare Grösse. Der Intel Pentium 4 Prozessor mit 2,2 GHz Tacktung besteht aus 55 Millionen Transistoren auf einer Fläche nicht größer als ein Fingernagel.

In Zukunft werden die Transistoren noch kleiner und leistungsfähiger. Es sind Prozessortaktraten von 10 GHz und mehr angestrebt, bei etwa 400 Millionen Transistoren.

Ein Problem der immer kleiner werdenden Transistoren liegt in der Annäherung an die Größe eines Atoms.
Die auf Siliziumkristallen basierenden Komponenten eines Chips werden durch quantenmechanische Effekte die notwendigen Halbleitereigenschaften immer geringer. Mit Erreichen der atomarer Größe werden die Halbleitereigenschaften völlig verlohren gehen.
Hinzu kommt das Verhalten von den elektrischen Verbindungen bei dieser geringen Größe. Sie verhalten sich nicht mehr wie Leiterbahnen sonder sind so nah aneinander, dass sie sich mit Elektroschmog gegenseitig stören. Sie können nicht mehr richtig entstört werden.

In der Theorie werden alle Komponeten des Chips auf molekularen Ebene verkleinert und miteinander vernetzt. Signale zwischen den Komponenten werden in Lichttechnik mit unterschiedlichen Wellenlängen transportiert.
Rein theoretisch sind dann Prozessorgeschwindigkeiten von 500 THz (Terahertz) = 500.000 GHz möglich.

Neueste Forschungen gehen in dem Bereich Bio-Physik und Bio-Chemie. Mit Fotosynthese, Flureszierung oder der Photonik (Lichttechnologie) werden Alternativen gesucht.

In noch entfernterer Zukunft könnten sogar bionische Transistoren auf der Grundlage von Bakterien entwicklet werden. Dies führte zu noch kleineren Transistoren mit noch mehr Leistung.