เครื่องทัวริง: มันคืออะไรและทำงานอย่างไร

เราไม่สามารถนึกถึงช่วงเวลาทางประวัติศาสตร์ที่เราอาศัยอยู่โดยไม่ได้ใส่ใจกับความสำคัญของการคำนวณ ในเวลาเพียงไม่กี่ปี มันได้หายไปจากการถูกใช้ในพื้นที่เฉพาะไปเป็นตัวตนอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่ง และไม่เพียงแต่ใน คอมพิวเตอร์ แต่ยังรวมถึงโทรศัพท์มือถือและเทคโนโลยีที่ใช้กันทั่วไปเกือบทั้งหมด (เช่นที่เรียกว่า "อุปกรณ์สวมใส่ได้")

อันที่จริง คอมพิวเตอร์หรือมือถือที่คุณใช้อ่านบทความนี้มีเทคโนโลยีที่ทำให้ สองสามทศวรรษที่มันจะต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ในการทำงาน (หรือมันจะเป็นทั้งหมด ไม่น่ารอด) และก็คือวันนี้เรากำลังมุ่งสู่การทำให้ส่วนประกอบคอมพิวเตอร์เล็กลงเป็นพิเศษ ซึ่งจะขยายการใช้งานและอำนวยความสะดวกในการขยายไปสู่ทุกด้านของชีวิต

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีที่ส่งให้เรานั้นไม่มีวันหยุด จนถึงจุดที่หากไม่มีเทคโนโลยีนี้ เราก็ไม่สามารถใช้ชีวิตอย่างเหมาะสมได้อีกต่อไป สายพันธุ์ของเราขึ้นอยู่กับการคำนวณ เพราะสังคมปัจจุบันมีความซับซ้อนในการทำงาน' ปัจจัยทางปัญญาที่เปลือยเปล่าทำให้ไม่สามารถจัดการได้สำเร็จอีกต่อไป ต้องการความช่วยเหลือจากภายนอกเพื่อชดเชย to ข้อบกพร่อง

ในข้อความนี้เราจะเห็น แนวคิดของเครื่องทัวริงประกอบด้วยอะไรบ้าง

สร้างขึ้นในกลางศตวรรษที่ 30 การมีส่วนร่วมของเขาในการคำนวณตามที่ทราบกันในปัจจุบันนั้นชัดเจน เมื่อพิจารณาว่าเป็นแบบจำลองที่สร้างตรรกะและสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน นี่คือแม่ของเทคโนโลยีที่ไม่เพียงเปลี่ยนโลก แต่ยังรวมถึงขอบฟ้าของมนุษยชาติด้วย

• บทความที่เกี่ยวข้อง: "ทฤษฎีเชิงฟังก์ชันของ John Dewey"

เครื่องทัวริงคืออะไร?

เครื่องทัวริงเป็นอุปกรณ์ที่สร้างขึ้นในปี 2479 ซึ่งหมายถึง แบบจำลองการคำนวณในอุดมคติที่สามารถจัดเก็บ / ประมวลผลข้อมูลได้แทบอนันต์. ระบบนี้เป็นนามธรรมทางคณิตศาสตร์ที่สร้างขึ้นด้วยวิธีง่าย ๆ เป็นพิเศษ แต่ช่วยให้ การตรวจสอบเชิงประจักษ์ของคำถามที่หลากหลายเกี่ยวกับทฤษฎีการคำนวณและ / หรือความซับซ้อน ความคิดของเขาเป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่ในประวัติศาสตร์ของการคำนวณ จนถึงจุดที่ถือว่าเป็น ที่มาของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน (และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง เช่น แท็บเล็ตหรือโทรศัพท์ มือถือ)

สถาปนิกคนนี้คือ Alan M. ทัวริง นักตรรกวิทยาและนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ว่าเขาพยายามใช้แนวคิดของแบบจำลองทางทฤษฎีมาตลอดชีวิตเพื่อตอบสิ่งที่ไม่รู้จักในระเบียบวินัยของเขาโดยอัตโนมัติและทุกคนสามารถเข้าถึงได้

อัจฉริยะชาวอังกฤษผู้นี้ ซึ่งไม่สามารถตั้งคำถามเกี่ยวกับความสำคัญทางประวัติศาสตร์ได้ ยังสนับสนุน (ร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ชาวโปแลนด์หลายคน) เพื่อไขรหัส การเข้ารหัสลับที่กองทัพนาซีเคยแอบสื่อสารกันในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองที่น่าเศร้า (ผ่านสิ่งที่เรียกว่า เครื่องปริศนา) ด้วยเหตุนี้เขาจึงคิดค้นอุปกรณ์ตัดแม่เหล็กไฟฟ้า (บอมบ์) ซึ่งช่วยลดระยะเวลาของความขัดแย้งและช่วยชีวิต ชีวิตมนุษย์นับไม่ถ้วน โดยยอมให้แผนของระบอบการปกครองถูกเปิดเผยในช่วงเวลาที่ สงคราม.

เครื่องทัวริงคือ สารตั้งต้นทางประวัติศาสตร์ของ "คอมพิวเตอร์โปรแกรมที่เก็บไว้" ที่ทันสมัยซึ่งช่วยให้สามารถบันทึกข้อมูลและอัลกอริธึมที่สร้างขึ้นได้ ข้อได้เปรียบและปัจจัยหนึ่งที่ทำให้นักทฤษฎีคอมพิวเตอร์หลงใหลคือความเรียบง่ายและความเป็นไปได้ในการกำหนดค่าทางเทคนิคมหาศาล และมันคือการทดลองผ่านวิธีการจัดเรียงองค์ประกอบทางกายภาพและ "คำถาม" ถูกวางด้วย ว่าการใช้งานถูกตั้งโปรแกรมไว้ (โดยใช้อัลกอริธึมซึ่งแปลเป็น "การสืบทอด" ของรหัสที่ได้รับแรงบันดาลใจจากภาษา ตรรกะ) ความจุที่หลากหลายนี้เกิดจากธรรมชาติของข้อมูลที่ใช้งาน ซึ่งขึ้นอยู่กับระดับนามธรรมที่มหาศาล

ด้วยวิธีนี้เครื่องทัวริง สามารถตั้งโปรแกรมให้ดำเนินการคำสั่งเฉพาะที่ตอบคำถามที่ซับซ้อนไม่มากก็น้อย. ทั้งหมดนี้หมายความว่าต้องรู้จักภาษาเฉพาะของมันเพื่อที่จะปรับอัลกอริธึมให้เข้ากับการทำงานของมันโดยตระหนักว่าไม่ มีรหัสสากลเพื่อชี้แจงผลรวมของสิ่งที่ไม่รู้ทางคณิตศาสตร์ที่หลับใหลในธรรมชาติ (ตามที่ระบุไว้ในกฎของ คริสตจักร-ทัวริง). ดังนั้นระบบจึงต้องการจิตใจของมนุษย์ที่อยู่เบื้องหลัง โดยตั้งคำถามกับตัวเองว่าจะต้องกำหนดสูตรและรู้วิธี "ไป" ที่อุปกรณ์เพื่อแก้ไขอย่างไร

วัตถุดิบของเครื่องทัวริงคือตัวเลขที่คำนวณได้นั่นคือการคำนวณที่สามารถคำนวณได้อย่างเป็นกลางโดยใช้สูตรทางคณิตศาสตร์และภายในเกณฑ์ของเวลาที่เหมาะสม ในบริบทนี้ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องปรับให้เข้ากับ "ปัญหา" เฉพาะสองอย่าง: ของการตัดสินใจ (แต่ละคำตอบนำหน้าด้วยชุดขององค์ประกอบการคำนวณก่อนหน้าที่สามารถตอบได้ แบบสองขั้วว่าใช่/ไม่ใช่) และหยุด (รับรู้ว่าคำตอบสุดท้ายเป็นไปได้จริง ๆ หรือถ้าระบบจะ "ประณาม" ให้ประมวลผลคำสั่งเป็นรอบ อนันต์/แก้ไม่ได้) กล่าวคือ มีอัลกอริธึมเฉพาะสำหรับสิ่งที่ต้องการรู้ และเทคโนโลยีสามารถตอบสนองต่อมันด้วยความแม่นยำที่จำเป็นในการ "หยุด" และเสนอวิธีแก้ปัญหา

ถึงจุดนี้ ได้มีการกล่าวถึงตรรกะเชิงทฤษฎีของเครื่องทัวริงอย่างละเอียดแล้ว บรรทัดต่อไปนี้จะเจาะลึกถึงแก่นของลักษณะทางกายภาพและ/หรือการทำงาน ซึ่งอัลกอริธึมหรือมาตรฐานของ การดำเนินการที่ผู้ใช้จัด (และสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่สมการง่าย ๆ ไปจนถึงอวัยวะภายในของกฎแห่งนามธรรม คณิตศาสตร์).

• คุณอาจสนใจ: "การทดลองในห้องจีน: คอมพิวเตอร์ด้วยใจ?"

คำอธิบายของเครื่องทัวริง

นอกจากพื้นฐานทางตรรกะ/คณิตศาสตร์ที่อธิบายไว้แล้ว เครื่องทัวริงยังต้องการชุดของ องค์ประกอบทางกายภาพซึ่งมีหน้าที่ในการรันคำสั่งที่ป้อนด้วย ข้างหน้า การจัดวางอาจมีความหลากหลาย เนื่องจากระบบนี้เกือบจะมีการออกแบบที่ไม่มีที่สิ้นสุด แต่จำเป็นต้องมีสิ่งต่อไปนี้: เทปกระดาษหรือวัสดุ ในทำนองเดียวกัน หัวเคลื่อนที่ที่ปลายสามารถแกะรอยได้ (สัญลักษณ์หรือตัวเลข) และตัวประมวลผลกลางเพื่อเข้ารหัสอัลกอริธึมที่จำเป็นหรืออำนวยความสะดวก การวิเคราะห์

เทปเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของพวกเขาทั้งหมด มันไม่มีอะไรมากไปกว่าแถบยาวซึ่งแบ่งออกเป็นช่องสี่เหลี่ยมที่มีขนาดเท่ากัน (หรือสี่เหลี่ยม) และความยาวส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับ ของ "ความพยายาม" ที่จะต้องดำเนินการเพื่อแก้ปัญหาที่ผู้ใช้ตั้งไว้ (ซึ่งอาจสั้นหรือยาวเท่าที่ประมาณการไว้ ที่เกี่ยวข้อง) กล่องถูกสงวนไว้สำหรับส่วนหัวเพื่อวาดสัญลักษณ์ต่างๆ (เช่น 0-1 ในรหัสไบนารี่) ในแต่ละอันและถือเป็นผลิตภัณฑ์การคำนวณที่จะต้องตรวจสอบหลังจากปิดตัวลง ในแง่คอมพิวเตอร์ เทปเหล่านี้อาจเป็นหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ เซลล์แรกมักจะมีเนื้อหาที่สร้างไว้แล้ว (อินพุต) โดยปล่อยให้ส่วนที่เหลือว่างและพร้อมใช้งานหลังจากกระบวนการคำนวณ

ในทำนองเดียวกันเครื่องทัวริง ประกอบด้วยส่วนหัวซึ่งเป็นส่วนต่อกลไก (มือถือ) ที่เลื่อนไปทางซ้ายหรือขวาตามลำดับที่ระบบมีให้. ในตอนท้าย มันมีการยืดตัวที่สามารถบันทึกร่องรอยบนเทป ทำให้รูปร่างของมันกลายเป็นตัวเลขหรือตัวเลขที่สอดคล้องตามรหัสที่กำหนดการเคลื่อนไหว โมเดลดั้งเดิมมีหัวเทคโนโลยีเป็นพื้นฐาน แต่ความก้าวหน้าทางวิทยาการหุ่นยนต์ทำให้เกิดการออกแบบใหม่ ขั้นสูง และแม่นยำยิ่งขึ้น ส่วนหัว "อ่าน" เนื้อหาของเซลล์และย้ายกล่องเดียวไปด้านใดด้านหนึ่ง (ขึ้นอยู่กับสถานะเฉพาะ) เพื่อดำเนินการตามคำสั่งต่อไป

ประการที่สาม มี หน่วยประมวลผลกลางเพื่อวัตถุประสงค์ในการจัดเก็บรหัสและอัลกอริธึมที่มีคำสั่ง สำหรับกิจกรรมของอุปกรณ์ แสดงตามเงื่อนไขทางคณิตศาสตร์และตรรกะ ภาษานี้มีความแตกต่างกันนิดหน่อยที่เป็นสากล แม้ว่าจะอนุญาตให้มีการซ้อมรบในระดับหนึ่งเพื่อแนะนำนิพจน์การปฏิบัติงานที่กำหนดโดยผู้ใช้ ด้วยวิธีนี้ หัวหน้าจะอำนวยความสะดวกในการดำเนินการคำสั่งที่จัดเก็บไว้ในโปรเซสเซอร์ ซึ่งจะเทียบเท่ากับโปรแกรมหรือแอปพลิเคชัน (แอป) ที่รู้จักกันในปัจจุบัน ระบบนี้จะอนุญาตให้ทำซ้ำการคำนวณใด ๆ ที่เป็นไปได้และจะเพิ่มขึ้นเป็นรุ่นก่อนของคอมพิวเตอร์ปัจจุบัน

• คุณอาจสนใจ: "ทฤษฎีการคำนวณของจิตใจ: ประกอบด้วยอะไร?"

การทำงานของอุปกรณ์นี้

เครื่องจักรทัวริงออกแบบมาเพื่อแกะสลักตัวอย่างสัญลักษณ์หรือตัวเลขโดยเฉพาะ ซึ่งจักรวาลที่เป็นไปได้นั้นมักเรียกว่า "ตัวอักษร" เมื่อทำงานกับรหัสไบนารี่ ตัวอักษรทั้งหมดของมันคือสอง (0 หรือ 1) แต่สามารถกว้างได้เท่าที่เห็นว่าเหมาะสมสำหรับฟังก์ชันที่จะดำเนินการ ส่วนหัวจะสามารถทำซ้ำได้เฉพาะในเซลล์ของเทปตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้เท่านั้น ระบบ ดังนั้นการคำนวณ (เช่น ตัวเลข "pi") จะต้องใช้ตัวเลขเต็มสเปกตรัม (ตั้งแต่ 0 ถึง 9).

นอกจากนี้สิ่งที่เรียกว่าในทางปฏิบัติเป็น สถานะ (Q) ซึ่งผู้ใช้ตั้งโปรแกรมไว้ในระหว่างการอธิบายรหัส (และจะมีป้ายกำกับว่า q1, q2, q3, q4… qn) ช่วงทั้งหมดขึ้นอยู่กับสมมติฐานทางคณิตศาสตร์ที่เป็นนามธรรม และทบทวนความแตกต่างตามเงื่อนไขของสูตรตรรกะของรหัส เพื่อที่จะ หัวเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่สอดคล้องกันและดำเนินการที่เกี่ยวข้อง ("ถ้าคุณอยู่ในตำแหน่ง q2 ให้เขียน" 0 "และอย่าขยับ" เช่น.).

สุดท้าย จะมีฟังก์ชัน "การเปลี่ยนแปลง" (เดลต้า) ซึ่งสรุปลำดับทั้งหมด (ทีละขั้นตอน) ของการประมวลผล ทางคณิตศาสตร์และเป็นการแสดงออกถึงคำสั่งที่สมบูรณ์: การอ่านเซลล์ การเขียนสัญลักษณ์ใหม่ การเปลี่ยนแปลงสถานะ (หรือไม่) และการเคลื่อนไหวของ ศีรษะ; ในวงจรที่เกิดซ้ำซึ่งจะหยุดเมื่อพบคำตอบของคำถามเบื้องต้นหรือในขณะที่ ที่ผู้ใช้คาดการณ์ไว้ภายในโค้ดของตน (มักใช้เครื่องหมายอัศเจรีย์ ซึ่งอ่านว่า "หยุด") ทันทีที่เครื่องหยุดเคลื่อนที่ เทปจะถูกดึงกลับมาและการตอบสนองที่ได้รับจะได้รับการวิเคราะห์โดยละเอียด

ที่สามารถเห็นได้, มีความคล้ายคลึงกันอย่างชัดเจนระหว่างเครื่องทัวริงและคอมพิวเตอร์ที่เราใช้ในปัจจุบัน. ผลงานของเขาเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาการออกแบบคอมพิวเตอร์ที่ตามมาทั้งหมดอย่างทวีคูณ จนถึง ชี้ให้เห็นว่าจิตวิญญาณของมันอยู่ที่หัวใจของเทคโนโลยีที่ช่วยให้เราอยู่ต่อไปได้ เชื่อมต่อถึงกัน

การอ้างอิงบรรณานุกรม:

• คาน, เอส. และ Khiyal, M. (2006). โมเดลทัวริงสำหรับคอมพิวเตอร์แบบกระจาย วารสารเทคโนโลยีสารสนเทศ. 5, 305-313.
• Qu, P., Yan, J., จาง, Y. และ Gao, G. (2017). เครื่องทัวริงแบบขนาน ข้อเสนอ วารสารวิทยาการคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยี, 32, 269-285.