Μηχανή Turing: τι είναι και πώς λειτουργεί

Δεν μπορούμε να αντιληφθούμε την ιστορική στιγμή στην οποία ζούμε χωρίς να προσέξουμε τη σημασία της πληροφορικής. Σε λίγα μόλις χρόνια, έχει μετατραπεί από τη χρήση σε συγκεκριμένους τομείς σε μια πανταχού παρούσα οντότητα και όχι μόνο στην υπολογιστές, αλλά και κινητά τηλέφωνα και σχεδόν όλες τις κοινώς χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες (όπως οι λεγόμενες "φορετά").

Στην πραγματικότητα, ο υπολογιστής ή το κινητό που χρησιμοποιείτε για να διαβάσετε αυτό το άρθρο έχει τέτοια τεχνολογία που κάνει λίγες δεκαετίες θα χρειαζόταν ένας τεράστιος χώρος για να λειτουργήσει (ή θα ήταν εντελώς μη βιώσιμο). Και είναι ότι σήμερα προχωρούμε σε μια εξαιρετική μικρογραφία των στοιχείων του υπολογιστή, η οποία θα επεκτείνει τη χρήση τους και θα διευκολύνει την επέκτασή τους σε όλους τους τομείς της ζωής.

Η πρόοδος στην οποία μας υποβάλλει η τεχνολογία είναι ασταμάτητη, σε σημείο που χωρίς αυτήν δεν θα είμαστε πλέον σε θέση να ζήσουμε βέλτιστα. Το είδος μας εξαρτάται από τον υπολογιστή, γιατί η σημερινή κοινωνία έχει τόσο περίπλοκη λειτουργία Οι γυμνοί γνωστικοί παράγοντες δεν το επιτρέπουν πλέον να διαχειρίζεται με επιτυχία, απαιτώντας εξωτερική βοήθεια για να αντισταθμίσει το δικό μας ελλείψεις.

Σε αυτό το κείμενο θα δούμε ποια είναι η έννοια της μηχανής Turing, δημιουργήθηκε στα μέσα του 30ου αιώνα. Η συμβολή του στον υπολογιστή όπως είναι γνωστό σήμερα είναι προφανής, θεωρώντας το μοντέλο στο οποίο βασίζεται η λογική και η αρχιτεκτονική των τρεχόντων υπολογιστών. Αυτό είναι: η μητέρα μιας τεχνολογίας που όχι μόνο άλλαξε τον κόσμο, αλλά και τον ορίζοντα της ανθρωπότητας.

• Σχετικό άρθρο: "Η λειτουργική θεωρία του John Dewey"

Τι είναι η μηχανή Turing;

Η μηχανή Turing είναι μια συσκευή που δημιουργήθηκε το 1936, η οποία αντιπροσωπεύει ένα ιδανικό μοντέλο υπολογιστών ικανό να αποθηκεύει / επεξεργάζεται σχεδόν άπειρες πληροφορίες. Το σύστημα είναι μια μαθηματική αφαίρεση που είναι χτισμένη με έναν εξαιρετικά απλό τρόπο, αλλά διευκολύνει το εμπειρική επαλήθευση ενός ευρέος φάσματος ερωτήσεων σχετικά με τη θεωρητικότητα και / ή τις θεωρίες πολυπλοκότητας. Ο ιδεασμός του σηματοδότησε ένα μεγάλο ορόσημο στην ιστορία της πληροφορικής, έως το σημείο να θεωρείται ως προέλευση των σημερινών υπολογιστών (και συναφών τεχνολογιών, όπως tablet ή τηλέφωνα κινητό).

Ο αρχιτέκτονας αυτού ήταν ο Άλαν Μ. Turing, αγγλικός λογικός και μαθηματικός ότι δοκίμασε όλη του τη ζωή τη σύλληψη ενός θεωρητικού μοντέλου με το οποίο να απαντήσει στα άγνωστα της πειθαρχίας του, αυτόματα και προσβάσιμα σε όλους.

Αυτή η βρετανική ιδιοφυΐα, της οποίας η ιστορική σημασία δεν μπορεί να αμφισβητηθεί, συνέβαλε επίσης (μαζί με πολλούς Πολωνούς επιστήμονες) στην αποκάλυψη των κωδίκων κρυπτογραφίες που ο ναζιστικός στρατός συνήθιζε να επικοινωνεί κρυφά μεταξύ τους κατά τη διάρκεια του θλιβερού δεύτερου παγκόσμιου πολέμου (μέσω αυτού που έγινε γνωστό ως μηχανή αινίγματος). Γι 'αυτό επινόησε μια ηλεκτρομαγνητική συσκευή διακοπής (βόμβα), της οποίας η χρήση μείωσε τη διάρκεια της διένεξης και έσωσε αμέτρητες ανθρώπινες ζωές, επιτρέποντας στα σχέδια του καθεστώτος να ξετυλιχτούν κατά τη διάρκεια του χρόνου εχθροπραξίες.

Η μηχανή Turing είναι ο ιστορικός πρόδρομος των σύγχρονων "υπολογιστών αποθηκευμένων προγραμμάτων", που επιτρέπουν τόσο την αποθήκευση των δεδομένων όσο και τους αλγορίθμους στους οποίους βασίζονται. Το πλεονέκτημά του, και ένας από τους παράγοντες με τους οποίους δημιουργεί γοητεία μεταξύ θεωρητικών υπολογιστών, είναι η απλότητα και οι τεράστιες δυνατότητες τεχνικής διαμόρφωσής του. και είναι ότι επιτρέπει τον πειραματισμό μέσω του πώς τακτοποιούνται τα φυσικά στοιχεία του και το "ερώτημα" τίθεται με το ότι η χρήση του είναι προγραμματισμένη (μέσω αλγορίθμων, οι οποίοι μεταφράζονται σε "διαδοχή" κωδικών που εμπνέονται από τη γλώσσα λογικός). Αυτή η ευέλικτη ικανότητα οφείλεται στην ίδια τη φύση των δεδομένων με τα οποία λειτουργεί, υπό την προϋπόθεση ενός τεράστιου επιπέδου αφαίρεσης.

Με αυτόν τον τρόπο, η μηχανή Turing Μπορεί να προγραμματιστεί για την εκτέλεση συγκεκριμένων οδηγιών που απαντούν σε λίγο ή πολύ περίπλοκες ερωτήσεις.. Όλα αυτά υπονοούν ότι η συγκεκριμένη γλώσσα του πρέπει να είναι γνωστή, προκειμένου να προσαρμοστεί ο αλγόριθμος σε αυτόν για τη λειτουργία του, γνωρίζοντας ότι δεν υπάρχει ένας καθολικός κώδικας για να αποσαφηνιστεί το σύνολο των μαθηματικών αγνώστων που αιωρούνται στη φύση (όπως υποδεικνύεται από το νόμο του Εκκλησία-Τούρινγκ). Επομένως, το σύστημα απαιτεί ένα ανθρώπινο μυαλό πίσω από αυτό, θέτοντας στον εαυτό του την ερώτηση που πρέπει να διατυπωθεί και γνωρίζοντας πώς να "αντιμετωπίσει" τη συσκευή για να το λύσει.

Η πρώτη ύλη της μηχανής Turing είναι υπολογισμένοι αριθμοί, δηλαδή, αυτά που μπορούν να υπολογιστούν αντικειμενικά μέσω ενός μαθηματικού τύπου και εντός του ορίου ενός εύλογου χρόνου. Σε αυτό το πλαίσιο, είναι απαραίτητο να προσαρμοστεί σε δύο συγκεκριμένα "προβλήματα": αυτό της απόφασης (σε κάθε απάντηση προηγείται μια σειρά από προηγούμενα στοιχεία υπολογισμού που μπορούν να απαντηθούν διχοτόμος ως ναι / όχι) και σταματήστε (αναγνωρίστε εάν οι τελικές απαντήσεις είναι πραγματικά δυνατές ή εάν το σύστημα θα "καταδικασθεί" για την επεξεργασία της παραγγελίας σε έναν κύκλο άπειρο / άλυτο). Δηλαδή, υπάρχει ένας συγκεκριμένος αλγόριθμος για το τι σκοπεύει να γνωρίζει και ότι η τεχνολογία του μπορεί να ανταποκριθεί με την απαραίτητη ακρίβεια για να «σταματήσει» και να προσφέρει μια λύση.

Μέχρι αυτό το σημείο έχει συζητηθεί λεπτομερώς η θεωρητική λογική μιας μηχανής Turing. Οι ακόλουθες γραμμές θα εμβαθύνουν στον πυρήνα των φυσικών και / ή λειτουργικών χαρακτηριστικών του, με τα οποία ο αλγόριθμος ή το πρότυπο του λειτουργία που έχει ρυθμίσει ο χρήστης (και αυτό μπορεί να κυμαίνεται από απλές εξισώσεις έως τις ίδιες ενδοκοινοτικές του νόμου περί αφαίρεσης μαθηματικά).

• Μπορεί να σας ενδιαφέρει: "Το κινέζικο δωμάτιο πειράματος: Υπολογιστές με μυαλό;"

Περιγραφή της μηχανής Turing

Μαζί με τη λογική / μαθηματική βάση που έχει περιγραφεί, η μηχανή Turing απαιτεί μια σειρά φυσικά στοιχεία, τα οποία έχουν τη λειτουργία εκτέλεσης των εντολών που έχουν εισαχθεί προτεραιότης. Η διάταξή τους μπορεί να είναι διαφορετική, δεδομένου ότι θα υπήρχαν σχεδόν άπειρα σχέδια αυτού του συστήματος, αλλά απαιτούνται απαραίτητα τα ακόλουθα: ταινία από χαρτί ή υλικό Ομοίως, μια κινούμενη κεφαλή του οποίου το άκρο είναι ικανό να δημιουργεί ίχνη (σύμβολα ή αριθμούς) και έναν κεντρικό επεξεργαστή στον οποίο να κωδικοποιούν τους αλγόριθμους που απαιτούνται ή που διευκολύνουν ανάλυση.

Η ταινία είναι το πιο ουσιαστικό στοιχείο όλων αυτών. Δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια διαμήκη λωρίδα, η οποία χωρίζεται σε μια διαδοχή τετραγώνων ίσου μεγέθους (ή τετραγώνων), και του οποίου το μήκος θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό της «προσπάθειας» που πρέπει να καταβληθεί για την επίλυση της ερώτησης που θέτει ο χρήστης (η οποία μπορεί να είναι τόσο σύντομη ή όσο εκτιμάται σχετικό). Τα κουτιά προορίζονται για την κεφαλή να σχεδιάσει διαφορετικά σύμβολα (όπως 0-1 στον δυαδικό κώδικα) σε κάθε ένα, και αποτελούν το προϊόν υπολογισμού που θα πρέπει να ελεγχθεί μετά τον τερματισμό του. Σε όρους υπολογιστών, αυτές οι κασέτες θα μπορούσαν να είναι η μνήμη ενός σύγχρονου υπολογιστή. Τα πρώτα κελιά έχουν συνήθως ένα περιεχόμενο που έχει ήδη δημιουργηθεί (εισαγωγή), αφήνοντας τα υπόλοιπα κενά και έτοιμα για χρήση μετά τη διαδικασία υπολογισμού.

Ομοίως, η μηχανή Turing Αποτελείται από ένα κεφάλι, ένα μηχανικό εξάρτημα (κινητό) που κινείται προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά ακολουθώντας τη σειρά που έχει το σύστημα για αυτό. Στο τέλος της έχει επιμήκυνση ικανή να καταγράφει ένα ίχνος στην ταινία, δίνοντας το σχήμα της στους αριθμούς ή τα σχήματα που αντιστοιχούν σύμφωνα με τον κώδικα που καθορίζει την κίνηση. Το αρχικό μοντέλο είχε μια στοιχειώδη τεχνολογία τεχνολογίας, αλλά οι εξελίξεις στη ρομποτική επέτρεψαν την εμφάνιση νέων, πιο προηγμένων και ακριβών σχεδίων. Η κεφαλή "διαβάζει" τα περιεχόμενα των κελιών και μετακινεί ένα μόνο πλαίσιο και στις δύο πλευρές (ανάλογα με τη συγκεκριμένη κατάστασή του) για να συνεχίσει την εκτέλεση της εντολής.

Τρίτον, υπάρχει έναν κεντρικό επεξεργαστή για την αποθήκευση κώδικα και αλγορίθμων που περιέχουν οδηγίες για τη δραστηριότητα της συσκευής, εκφρασμένη σύμφωνα με μαθηματικούς και λογικούς όρους. Αυτή η γλώσσα έχει καθολική απόχρωση, αν και επιτρέπει σε κάποιο βαθμό ελιγμών να εισάγει λειτουργικές εκφράσεις που διατυπώνονται από τον χρήστη (υπό την προϋπόθεση ότι το νόημα έχει καταστεί λειτουργικό). Με αυτόν τον τρόπο, το κεφάλι του θα διευκόλυνε την εκτέλεση των εντολών που είναι αποθηκευμένες στον επεξεργαστή, οι οποίες θα ισοδυναμούν με αυτό που είναι γνωστό σήμερα ως προγράμματα ή εφαρμογές (app). Αυτό το σύστημα θα επέτρεπε την αναπαραγωγή κάθε πιθανού υπολογισμού και θα ανέβαινε ως ο προκάτοχος οποιουδήποτε από τους τρέχοντες υπολογιστές.

• Μπορεί να σας ενδιαφέρει: "Υπολογιστική θεωρία του νου: από τι αποτελείται;"

Λειτουργία αυτής της συσκευής

Μια μηχανή Turing έχει σχεδιαστεί για να χαράξει ένα συγκεκριμένο δείγμα συμβόλων ή αριθμών, το πιθανό σύμπαν του οποίου ονομάζεται συχνά "αλφάβητο". Όταν λειτουργεί με δυαδικό κώδικα, το συνολικό αλφάβητό του είναι δύο (0 ή 1), αλλά μπορεί να είναι τόσο ευρύ όσο κρίνεται κατάλληλο για τη λειτουργία που θα εκτελεστεί. Η κεφαλή θα μπορεί να αναπαράγει μόνο στα κελιά της ταινίας αυτό που έχει προηγουμένως αναφερθεί σε τέτοια σύστημα, οπότε ένας υπολογισμός (για παράδειγμα, ο αριθμός "pi") απαιτεί το πλήρες φάσμα αριθμών (από 0 έως 9).

Εκτός από αυτό, αυτό που είναι γνωστό στην πράξη ως καταστάσεις (Q), οι οποίες προγραμματίζονται επίσης από τον χρήστη κατά την περιγραφή του κώδικα (και επισημαίνονται ως q1, q2, q3, q4… qn). Το συνολικό εύρος εξαρτάται από αφηρημένες μαθηματικές υποθέσεις και εξετάζει τις υπό όρους αποχρώσεις του λογικού τύπου του κώδικα, έτσι ώστε η κεφαλή κινείται προς την αντίστοιχη κατεύθυνση και εκτελεί τη σχετική ενέργεια ("εάν βρίσκεστε στη θέση q2, γράψτε" 0 "και μην κινηθείτε", π.χ.).

Τέλος, θα υπήρχε μια συνάρτηση «μετάβασης» (δέλτα), στην οποία συνοψίζεται η συνολική ακολουθία (βήμα προς βήμα) της επεξεργασίας. μαθηματικό, και αυτό εκφράζει την πλήρη οδηγία: ανάγνωση κυττάρων, νέα σύνταξη συμβόλων, αλλαγές κατάστασης (ή όχι) και κίνηση του κεφάλι; σε έναν επαναλαμβανόμενο κύκλο που σταματά όταν βρίσκετε την απάντηση στην αρχική ερώτηση, ή επίσης τη στιγμή που ότι ο χρήστης το έχει προβλέψει στον κώδικά του (συχνά με ένα θαυμαστικό, το οποίο διαβάζεται ως "stop"). Μόλις το μηχάνημα σταματήσει να κινείται, η ταινία ανακτάται και η απόκριση που παρείχε αναλύεται λεπτομερώς.

Οπως φαίνεται, Υπάρχει μια σαφής ομοιότητα μεταξύ του μηχανήματος Turing και των υπολογιστών που χρησιμοποιούμε σήμερα. Η συμβολή του ήταν το κλειδί για την εκθετική πρόοδο σε όλους τους επόμενους σχεδιασμούς υπολογιστών, μέχρι το επισημαίνει ότι το πνεύμα του βρίσκεται στην καρδιά μιας τεχνολογίας που μας επιτρέπει να μείνουμε διασυνδεδεμένο.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

• Khan, Σ. και Khiyal, Μ. (2006). Μοντέλο Turing για Κατανεμημένη Πληροφορική. Εφημερίδα Πληροφορικής. 5, 305-313.
• Qu, P., Yan, J., Zhang, Υ. και Gao, G. (2017). Parallel Turing Machine, μια πρόταση. Περιοδικό Επιστήμης και Τεχνολογίας Υπολογιστών, 32, 269-285.