آلة تورينج: ما هي وكيف تعمل

لا يمكننا تصور اللحظة التاريخية التي نعيش فيها دون الالتفات إلى أهمية الحوسبة. في غضون بضع سنوات فقط ، تحولت من كونها مستخدمة في مجالات محددة إلى كيان كلي الوجود ، وليس فقط في أجهزة الكمبيوتر ، ولكن أيضًا الهواتف المحمولة وجميع التقنيات الشائعة الاستخدام تقريبًا (مثل ما يسمى ب "قابلة للارتداء").

في الواقع ، الكمبيوتر أو الهاتف المحمول الذي تستخدمه لقراءة هذه المقالة لديه مثل هذه التكنولوجيا التي يصنعها بضعة عقود كان سيحتاج إلى مساحة ضخمة ليعمل (أو كان من الممكن أن يكون بالكامل غير قابلة للحياة). واليوم نحن نتجه نحو تصغير غير عادي لمكونات الكمبيوتر ، مما سيؤدي إلى توسيع استخدامها وتسهيل انتشارها في جميع مجالات الحياة.

التقدم الذي تقدمه لنا التكنولوجيا لا يمكن إيقافه ، لدرجة أنه بدونها لن نتمكن من العيش على النحو الأمثل. يعتمد جنسنا البشري على الحوسبة ، لأن مجتمع اليوم يتسم بالتعقيد الذي يعمل لم تعد العوامل المعرفية العارية تسمح بإدارتها بنجاح ، مما يتطلب مساعدة خارجية لتعويضنا نقائص.

في هذا النص سوف نرى ما هو مفهوم آلة تورينجتم إنشاؤه في منتصف القرن الثلاثين. إن مساهمته في الحوسبة كما هي معروفة اليوم واضحة ، معتبرة أنها النموذج الذي تأسس عليه منطق وهندسة أجهزة الكمبيوتر الحالية. هذا هو: أم التكنولوجيا التي لم تغير العالم فحسب ، ولكن أفق البشرية أيضًا.

• مقالات لها صلة: "نظرية جون ديوي الوظيفية"

ما هي آلة تورينج؟

آلة Turing هي جهاز تم إنشاؤه في عام 1936 ، والذي يمثل نموذج مثالي للحوسبة قادر على تخزين / معالجة المعلومات اللانهائية تقريبًا. النظام عبارة عن تجريد رياضي تم إنشاؤه بطريقة بسيطة للغاية ، ولكنه يسهل التحقق التجريبي لمجموعة واسعة من الأسئلة حول الحوسبة و / أو نظريات التعقيد. كان تفكيره علامة فارقة في تاريخ الحوسبة ، إلى حد اعتباره أصل أجهزة الكمبيوتر الحالية (والتقنيات ذات الصلة ، مثل الأجهزة اللوحية أو الهواتف التليفون المحمول).

كان مهندس هذا هو Alan M. تورينج ، منطقي وعالم رياضيات إنجليزي أنه جرب طوال حياته مفهوم النموذج النظري الذي يجيب من خلاله على المجهول في تخصصه ، تلقائيًا وفي متناول الجميع.

هذا العبقري البريطاني ، الذي لا يمكن التشكيك في أهميته التاريخية ، ساهم أيضًا (مع العديد من العلماء البولنديين) في تفكيك الرموز عمليات التشفير التي استخدمها الجيش النازي للتواصل سرا مع بعضهم البعض خلال الحرب العالمية الثانية الحزينة (من خلال ما أصبح يعرف باسم آلة اللغز). لهذا ابتكر جهاز قطع كهرومغناطيسي (قنبلة) ، أدى استخدامه إلى تقصير مدة الصراع وحفظه. عدد لا يحصى من الأرواح البشرية ، من خلال السماح لخطط النظام بالانهيار خلال الوقت العداوات.

آلة تورينج السلائف التاريخية من "حواسيب البرامج المخزنة" الحديثة، والتي تسمح بحفظ البيانات والخوارزميات التي بنيت عليها. ميزتها ، وأحد العوامل التي تولد من خلالها الانبهار بين منظري الكمبيوتر ، هي بساطتها وإمكانيات تكوينها التقنية الهائلة ؛ وهو أنه يتيح التجريب من خلال كيفية ترتيب العناصر المادية وطرح "السؤال" مع أن استخدامه مبرمج (عن طريق الخوارزميات ، التي تُترجم إلى "سلسلة" من الأكواد المستوحاة من اللغة منطقي). ترجع هذه القدرة المتنوعة إلى طبيعة البيانات التي تعمل بها ، والتي تخضع لمستوى هائل من التجريد.

بهذه الطريقة ، فإن آلة تورينج يمكن برمجتها لتنفيذ تعليمات محددة تجيب على أسئلة أكثر أو أقل تعقيدًا.. كل هذا يعني أنه يجب معرفة لغتها الخاصة ، من أجل تكييف الخوارزمية معها لتشغيلها ، مع العلم أنها لا تفعل ذلك. هناك رمز عالمي لتوضيح مجمل المجهول الرياضي الذي يغفو في الطبيعة نفسها (كما هو مبين في قانون الكنيسة تورينج). لذلك يتطلب النظام وجود عقل بشري من ورائه ، يطرح على نفسه السؤال المراد صياغته ومعرفة كيفية "الانتقال" إلى الجهاز لحلها.

المواد الخام لآلة Turing هي أرقام قابلة للحساب، أي تلك التي يمكن حسابها بشكل موضوعي عن طريق صيغة رياضية ، وفي حدود فترة زمنية معقولة. في هذا السياق ، من الضروري أن تتكيف مع مشكلتين محددتين: مشكلة القرار (كل إجابة مسبوقة بسلسلة من عناصر الحساب السابقة التي يمكن الإجابة عليها بشكل ثنائي مثل نعم / لا) والتوقف (تعرف ما إذا كانت الإجابات النهائية ممكنة حقًا ، أو ما إذا كان النظام "سيُحكم عليه" بمعالجة الأمر في دورة لانهائية / غير قابلة للحل). أي أن هناك خوارزمية محددة لما ينوي معرفته وأن تقنيتها يمكن أن تستجيب لها بالدقة اللازمة "للتوقف" وتقديم حل.

حتى هذه النقطة ، تمت مناقشة المنطق النظري لآلة تورينج بالتفصيل. سوف تتعمق الأسطر التالية في جوهر خصائصها الفيزيائية و / أو الوظيفية ، والتي من خلالها يتم استخدام الخوارزمية أو المعيار العملية التي رتبها المستخدم (والتي يمكن أن تتراوح من المعادلات البسيطة إلى جوهر قانون التجريد الرياضيات).

• قد تكون مهتمًا: "تجربة الغرفة الصينية: أجهزة كمبيوتر لديها عقل؟"

وصف آلة تورينج

إلى جانب الأساس المنطقي / الرياضي الذي تم وصفه ، تتطلب آلة تورينج سلسلة من العناصر المادية ، والتي لها وظيفة تنفيذ الأوامر التي تم إدخالها باستخدام أمامية. يمكن أن يكون ترتيبها متنوعًا ، حيث سيكون هناك تصميمات لا نهائية تقريبًا لهذا النظام ، ولكن ما يلي مطلوب بالضرورة: شريط من الورق أو مادة بالمثل ، رأس متحرك تكون نهايته قادرة على صنع آثار (رموز أو أرقام) ومعالج مركزي يتم فيه تشفير الخوارزميات المطلوبة أو التي تسهل تحليل.

الشريط هو أهم عنصر في كل منهم. إنه ليس أكثر من شريط طولي ، مقسم إلى سلسلة من المربعات متساوية الحجم (أو المربعات) ، والتي سيعتمد طولها إلى حد كبير من "الجهد" الذي يجب القيام به لحل السؤال الذي طرحه المستخدم (والذي يمكن أن يكون قصيرًا أو طويلاً كما هو مقدر ذو صلة). المربعات محجوزة للرأس لرسم رموز مختلفة (مثل 0-1 في الكود الثنائي) في كل واحد، وتشكل ناتج الحساب الذي يجب فحصه بعد توقفه. من منظور الكمبيوتر ، يمكن أن تكون هذه الأشرطة ذاكرة كمبيوتر حديث. تحتوي الخلايا الأولى عادةً على محتوى تم إنشاؤه بالفعل (إدخال) ، وترك الباقي فارغًا وجاهزًا للاستخدام بعد عملية الحساب.

وبالمثل ، فإن آلة تورينج يتكون من رأس ، ملحق ميكانيكي (متحرك) يتحرك إلى اليسار أو اليمين متبعًا الترتيب الذي حدده النظام له. في نهايتها استطالة قادرة على نقش أثر على الشريط ، مع إعطاء شكلها للأرقام أو الأرقام المقابلة وفقًا للكود الذي يحدد الحركة. كان للنموذج الأصلي رأس تقني بدائي ، لكن التطورات في مجال الروبوتات سمحت بظهور تصميمات جديدة وأكثر تقدمًا ودقة. "يقرأ" الرأس محتويات الخلايا وينقل مربعًا واحدًا إلى أي من الجانبين (اعتمادًا على حالته المحددة) لمواصلة تنفيذ التعليمات.

ثالثًا ، هناك معالج مركزي لغرض تخزين التعليمات البرمجية والخوارزميات التي تحتوي على تعليمات لنشاط الجهاز ، معبراً عنه بالشروط الرياضية والمنطقية التالية. هذه اللغة لها فارق بسيط عالمي ، على الرغم من أنها تسمح بدرجة معينة من المناورة لتقديم التعبيرات التشغيلية التي صاغها المستخدم (بشرط أن يكون المعنى قد تم تشغيله). وبهذه الطريقة ، سيسهل رأسه تنفيذ التعليمات المخزنة في المعالج ، والتي ستكون مكافئة لما يعرف اليوم بالبرامج أو التطبيقات (التطبيق). سيسمح هذا النظام بإعادة إنتاج أي عملية حسابية محتملة وسيصعد كسابق لأي من أجهزة الكمبيوتر الحالية.

• قد تكون مهتمًا: "النظرية الحسابية للعقل: مما تتكون؟"

تشغيل هذا الجهاز

تم تصميم آلة تورينج لنقش عينة محددة من الرموز أو الأرقام ، والتي يُطلق على الكون المحتمل لها اسم "الأبجدية". عندما يعمل مع رمز ثنائي ، يكون مجموع الأبجدية الخاصة به اثنان (0 أو 1) ، ولكن يمكن أن يكون بالعرض الذي يعتبر مناسبًا للوظيفة المراد تنفيذها. لن يتمكن الرأس من التكاثر في خلايا الشريط إلا ما تم الإشارة إليه سابقًا في ذلك النظام ، لذا فإن الحساب (رقم "pi" ، على سبيل المثال) يتطلب الطيف الكامل للأرقام (من 0 إلى 9).

بالإضافة إلى ذلك ، فإن ما يُعرف عمليا باسم تنص (Q) ، والتي تمت برمجتها أيضًا من قبل المستخدم أثناء وصف الكود (ويتم تصنيفها على أنها q1 ، q2 ، q3 ، q4... qn). يعتمد النطاق الإجمالي على الفرضيات الرياضية المجردة ، ويراجع الفروق الدقيقة الشرطية للصيغة المنطقية للكود ، من أجل ذلك يتحرك الرأس في الاتجاه المقابل وينفذ الإجراء المناسب ("إذا كنت في الموضع q2 ، فاكتب" 0 "ولا تتحرك" ، على سبيل المثال).

أخيرًا ، ستكون هناك وظيفة "انتقالية" (دلتا) ، يتم فيها تلخيص التسلسل الإجمالي (خطوة بخطوة) للمعالجة. رياضي ، ويعبر عن التعليمات الكاملة: قراءة الخلية ، وكتابة الرموز الجديدة ، وتغييرات الحالة (أو لا) وحركة رأس؛ في دورة متكررة تتوقف عند العثور على إجابة السؤال الأولي ، أو أيضًا في الوقت الحالي أن المستخدم قد تنبأ بها داخل الكود الخاص به (غالبًا بواسطة علامة تعجب ، والتي تُقرأ على أنها "إيقاف"). بمجرد أن تتوقف الآلة عن الحركة ، يتم استرداد الشريط ويتم تحليل الاستجابة التي قدمتها بالتفصيل.

كما يمكن أن يرى، هناك تشابه واضح بين آلة تورينج وأجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها اليوم. كانت مساهمته أساسية للتقدم بشكل كبير في جميع تصميمات الكمبيوتر اللاحقة ، حتى أشر إلى أن روحها تكمن في قلب التكنولوجيا التي تسمح لنا بالبقاء مترابط.

المراجع الببليوغرافية:

• خان ، س. وخيال م. (2006). نموذج تورينج للحوسبة الموزعة. مجلة تكنولوجيا المعلومات. 5, 305-313.
• Qu، P.، Yan، J.، Zhang، Y. وغاو ، ج. (2017). آلة تورينج المتوازية ، اقتراح. مجلة علوم وتكنولوجيا الكمبيوتر ، 32 ، 269-285.