Алан Тьюринг Создатель умозрительной концепции компьютера

Алан Тьюринг

Создатель умозрительной концепции компьютера

В математике имеется множество доказательств существования. Однако есть колоссальная разница между способностью Доказать, что нечто существует, и способностью построить это нечто. Тьюринг доказал, что его универсальная машина существует, показал, каким образом она строится. Следует иметь в виду, что он создал монументальную работу в 1936 году — примерно за десять лет до того, как были построены первые вычислительные машины.

Джон Вейценбаум

Алан Тьюринг

Алан Мэтисон Тьюринг родился в Лондоне в 1912 году в семье чиновника индийской гражданской службы Джулиуса Тьюринга и Сары Тьюринг, урожденной Стоней. Шотландская фамилия Тьюринг имеет нормандское происхождение. Англоирландская семья Стоней йоркширского происхождения дала обществу нескольких выдающихся физиков и инженеров.

Интерес к науке, и в частности к математике, у Алана Тьюринга проявился рано, еще в начальной школе и в пансионе, в который он поступил в 1926 году. Некоторые характерные черты, присущие зрелому Тьюрингу, были заметны уже тогда.

Принимаясь за ту или иную задачу, он начинал ее решение с азов — привычка, которая дает свежесть и независимость его работам, но также, несомненно, делает автора трудно читаемым.

В 1931 году в девятнадцатилетнем возрасте Тьюринг в качестве математического стипендиата поступил в Королевский колледж Кембриджского университета. Четырьмя годами позже защитил диссертацию «Центральная предельная теорема теории вероятности» (которую он самостоятельно «переоткрыл», не зная об аналогичной предшествующей работе) и был избран членом Королевского научного общества. Именно в 1935 году он впервые начал работать в области математической логике и проводить исследования, которые уже через год привели к выдающимся результатам: решению одной из проблем Д. Гильберта и изобретению умозрительной машины (машины Тьюринга), по своему логическому устройству являющейся прообразом цифровых компьютеров, созданных только спустя десять лет.

Предыстория этого была следующей. В Париже в 1900 году на Международном математическом конгрессе знаменитый математик Давид Гильберт представил список нерешенных проблем. В этом списке второй значилась задача доказательства непротиворечивости системы аксиом обычной арифметики, формулировку которой в дальнейшем Гильберт уточнил как «Ent- scheidungsproblem» (проблема разрешимости). Она заключалась в нахождении общего метода, который позволил бы определить, «выполнимо ли данное высказывание на языке формальной логики, т. е. установить его истинность». Алан Тьюринг впервые услышал об этой проблеме на лекциях Макса Ньюмена в Кембридже (он работал там преподавателем математики с 1924 года) и в течение 1936 года получил ответ: проблема Гильберта оказалась неразрешимой. Результаты работы он описал в своей знаменитой статье в 1936–1937 годах. Но «значение статьи, в которой Тьюринг изложил свой результат, — писал Джон Хопкрофт, — простирается за рамки той задачи, по поводу которой статья была написана. Работая над проблемой Гильберта, Тьюрингу пришлось дать четкое определение самого понятия метода. Отталкиваясь от интуитивного представления о методе как о некоем алгоритме, т. е. процедуре, которая может быть выполнена механически (здесь, по- видимому, Тьюринг воспользовался терминологией М. Ньюмена — „чисто механический процесс“, примененной на лекции, излагающей проблему Гильберта), без творческого вмешательства, он показал, как эту идею можно воплотить в виде подробной модели вычислительного процесса. Полученная модель вычислений, в которой каждый алгоритм разбивался на последовательность простых, элементарных шагов, и была логической конструкцией, названной впоследствии машиной Тьюринга».

Значение работы Тьюринга для теории вычислений велико: «Машина Тьюринга за данный большой, но конечный промежуток времени способна справиться с любым вычислением, которое может выполнить всякий сколь угодно мощный современный компьютер».

Тьюринг стал первым, достигшим понимания универсальной природы вычислительной машины. Он показал, что можно построить универсальную машину, способную работать так же, как любая простая машина Тьюринга, если в нее ввести описание этой простой машины.

В сентябре 1936 года Тьюринг покидает Кембридж и перебирается в Америку в Принстонский университет, где работает куратором. Там в 1938 году он получает степень доктора философии. В то время в Принстонском университете работали такие знаменитости, как Черч, Курант, Эйнштейн, Харди, фон Нейман.

Между Нейманом и Тьюрингом состоялись первые дискуссии по вычислительным и «думающим» машинам. Джон фон Нейман проявил живой интерес к идее универсальной машины и предложил Тьюрингу поработать в Принстоне в должности своего ассистента. Тьюринг не принял это предложение и весной того же года возвратился в Кембридж, где ему подтвердили звание и положение члена Королевского колледжа университета.

Период жизни и деятельности Алана Тьюринга с 1939 по 1945 год долгое время был скрыт завесой секретности. Мать Тьюринга, опубликовавшая в 1959 году воспоминания о сыне, скупо писала, что сразу же после объявления войны Тьюринга приняли на работу в качестве государственного служащего в управление связи Министерства иностранных дел. Вначале его местопребывание сохранялось в тайне, хотя позднее стало известно, что он работал в Блетчли-парке близ Лондона, где проводилась особо секретная работа по криптоанализу.

Электрическая шифровальная машина «Энигма»

Работа в Блетчли-парке велась в рамках засекреченного проекта «Ультра», целью которого был поиск метода расшифровки секретных немецких кодов. Для шифрования секретнейших приказов верховного главнокомандования вермахта, аппарата полиции, СД, СС в Германии использовалась электрическая шифровальная машина «Энигма». Еще до начала Второй мировой войны поляки сумели сделать точную копию «Энигмы» и переправить ее в Англию. Но без ключа и схемы коммутации (немцы меняли их три раза в день), даже имея в качестве приемника еще одну «Энигму», трудно было дешифровать сообщение. Для разгадки секретного шифра в Блетчли-парке собралось любопытное общество выдающихся математиков, шахматистов, любителей кроссвордов, знатоков различных областей знаний и даже двух музыкантов. Среди этих людей, оторванных от внешнего мира, был и Алан Тьюринг, возглавлявший одну из групп, в которой работали двенадцать математиков и четыре лингвиста.

В работу его группы и некоторых других входило создание различных специальных вычислительных машин для целей дешифровки немецких сообщений. Надо сказать, что блестящие идеи умозрительной «машины Тьюринга» воплотились в реальных машинах, созданных в Блетчли-парке. Среди них были «Хит Робинсон», электромеханическая машина, включавшая два фотоэлектрических устройства считывания с перфоленты со скоростью 2000 символов в секунду (подобно бесконечной ленте и считывающей головке «машины Тьюринга»), арифметическое устройство на реле и печатающий блок, «Питер Робинсон», «Супер Робинсон» и т. д. Среди разработчиков, кроме Тьюринга, были Уинн- Уильямс, Флауэрс и др. Эти машины работали по принципу перебора различных комбинаций из символов немецкого кода до получения осмысленного сообщения. В сентябре 1942 года в Блетчли-парк прибыл профессор М. Ньюмен (тот самый, из Кембриджа) и возглавил группу специалистов (Т. Флауэрс, А. Кумбс, С. Броуд-бейт, У. Чандлер, И. Гуд, Д. Мичи) по созданию электронной вычислительной машины для той же цели. В результате в декабре 1943 года была создана первая (не только в Англии, но и в мире) электронная вычислительная машина «Колосс», содержащая 2000 электронных ламп.

В этой машине использовался только один тип лент, как и предлагал А. Тьюринг, — «данные» (в закодированном виде перехваченные за день неприятельские сообщения), скорость считывания с которых достигала 5000 символов в секунду (использовались пять фотосчитывающих устройств). Машина в поисках соответствия сопоставляла зашифрованное сообщение с уже известными кодами «Энигмы», которые хранились в кольцевых регистрах, выполненных на тиратронах. К концу войны было изготовлено около 10 «Колоссов».

Компьютер «Колосс»

Очевидно, непосредственного участия в создании «Колосса» Тьюринг не принимал, он выступал в роли консультанта, но как признался И. Гуд, Ньюмену при создании машины очень помогла работа Тьюринга 1936 года. «Я не хочу сказать, что мы выиграли войну благодаря Тьюрингу, — вспоминал многие годы спустя И. Гуд, — но беру на себя смелость сказать, что без него мы могли бы ее и проиграть». За работу в Министерстве иностранных дел (в Блетчли-парке) во время войны А. Тьюринг был награжден орденом Кавалера Британской империи IV степени.

До сих пор остается невыясненной история встречи во время войны Тьюринга с фон Нейманом. История эта, или, как ее назвали позднее, легенда, состоит в том, что эта встреча двух выдающихся математиков имела решающее значение для развития современной компьютерной техники. Известно, что Тьюринг совершил, по крайней мере, одну поездку в США в 1943 году, хотя некоторые утверждают, что он бывал там и в 1942 году. Кроме фон Неймана, он встречался также с Клодом Шенноном, но они, очевидно, не обсуждали вопросов по поводу вычислительных машин.

Ситуацию взаимоотношений этих знаменитостей, наверно, лучше всего обрисовал С. Френкель, который писал: «Многие люди провозгласили фон Неймана отцом вычислительных машин (в современном смысле термина), но я уверен, что он никогда не сделал бы подобной ошибки сам. Его (фон Неймана) достоверно можно назвать „повивальной бабкой“, и он настойчиво утверждал мне и другим, что фундаментальная концепция принадлежит Тьюрингу, поскольку подобное не предвидели ни Бэббидж, ни Лавлейс, ни другие».

В 1945 году Алан Тьюринг, отказавшись от лекторской работы в Кембриджском университете, перешел по рекомендации М. Ньюмена в Национальную физическую лабораторию (НФЛ), где организовалась группа по проектированию и созданию вычислительной машины АСЕ (Automatic Computing Engine). В течение трех лет (1945–1948), пока существовала эта группа, он сделал первые наброски АСЕ и внес ряд предложений по ее конструированию. Отчет Тьюринга по АСЕ датирован более поздней датой и ссылается на известный черновой отчет фон Неймана по EDVAC. Но Тьюринг пошел значительно дальше, т. к. его работа содержала много конкретных деталей и имела полную концепцию компьютера с хранимой программой. Многие утверждают, что Тьюринг предложил один из первых проектов такого компьютера — концепцию, которую считают фундаментальной в вычислительном мире и которая была предложена им независимо от Маучли, Эккерта и фон Неймана.

Отчет по АСЕ был передан в исполнительный комитет НФЛ 19 марта 1946 года с сопроводительной запиской Уомерсли, в которой сообщалось, что, хотя отчет основан на проекте EDVAC, последний содержит ряд идей, принадлежащих Тьюрингу. Хотя о работе Тьюринга во время войны многое неизвестно, она, безусловно, значительна, хотя бы по тем моментам, которые обозначены в проекте АСЕ. Машина под названием MOSAIC, основанная на первичном варианте этого проекта, была вскоре построена Чандлером и Кумбсом.

В сентябре 1948 года Тьюринг перешел на работу в Манчестерский университет, номинально заняв должность заместителя директора лаборатории вычислительных машин, хотя в действительности он числился в математическом отделе М. Ньюмена и являлся ответственным за программирование.

В Манчестерском университете с конца 1940 года под руководством Ф. Уильямса и Т. Килбурна разрабатывалась вычислительная машина «Марк-1». 21 июля 1948 года на машине была запущена 52-минутная программа, и в настоящее время считается, что «Марк-1» был первым действующим компьютером с хранимой программой.

При работе над усовершенствованием манчестерской машины М. Ньюмен первым пришел к изобретению индексного регистра, а А. Тьюринг написал первое руководство по программированию. Кроме того, Тьюрингом было придумано еще одно новшество. В машине «Марк-1» использовался 5-битный код для представления команды, причем каждая команда содержала 4 таких кода, т. е. 20 бит. С целью облегчения программирования Тьюринг предложил поставить в соответствие каждому 5-битному коду определенный символ из набора 32 знаков (2⁵) — по числу возможных комбинаций. Символы, которые, по Тьюрингу, соответствовали пятизначному двоичному коду, содержали цифры, буквы и знаки препинания, имеющиеся на стандартной клавиатуре телепринтера. Например, символ «/» (косая черта) был обозначен как 00000, буква «R» — 01010 и т. д. В дальнейшем, как известно, символы компьютеров, в том числе и современных персональных, стали занимать 8-битный код (байт). Их число может достигать 256 различных знаков (2⁸).

В конце 40-х годов Тьюринг занялся проблемой «мыслящих» машин, машинного интеллекта, которая к настоящему времени сформировалась в целое направление под названием «Искусственный интеллект». Многие ученые (в частности, Дж. Сирл) считают Алана Тьюринга основоположником искусственного интеллекта. Первая его статья «Intelligent Machinery» в форме отчета Национальной физической лаборатории вышла в 1948 году, а затем в 1950 году в английском журнале «Mind» была опубликована его основополагающая статья «Computing Machinery and Intelligence». В русском переводе она вышла под названием «Может ли машина мыслить?». И сегодня анализ этой проблемы Тьюрингом «остался, пожалуй, самым лучшим из всего, что стоит прочитать каждому желающему понять суть дела».

«Я собираюсь рассмотреть вопрос „Могут ли машины мыслить?“ — этими словами Тьюринг начинает статью, но вскоре он заменяет исходную постановку вопроса совершенно иной, в которой „мышление“ машины рассматривается в технических терминах. В качестве критерия оценки мыслительной деятельности машины Тьюринг предлагает использовать ее действия в процессе „игры в имитацию“ (Imitation game). Эта „игра“ в дальнейшем получила название теста Тьюринга.

В современном понимании тест Тьюринга интерпретируют следующим образом: если машина способна имитировать поведение, которое эксперт- экзаменатор не сможет отличить от поведения человека, обладающего мыслительными способностями (у Тьюринга испытуемые — человек и машина — отделены от эксперта-экзаменатора, задающего вопросы, стенами комнат и общаются посредством телеграфа), то машина также обладает этими способностями. С 50-х годов было опубликовано много работ по вопросу о том, как программно реализовать тест Тьюринга и что „можно надеяться получить из современного уровня эвристического программирования“. О своих надеждах и прогнозах А. Тьюринг писал в конце статьи: „Мы можем надеяться, что вычислительные машины в конечном счете смогут конкурировать с людьми во всех чисто интеллектуальных сферах деятельности. Но с какими машинами лучше всего начать двигаться к этой цели? Даже на этот вопрос ответить затруднительно. Многие люди думают, что лучше всего машина может выявить свои возможности в чрезвычайно абстрактной области, подобной игре в шахматы. Можно также утверждать, что лучше всего было бы снабдить машину наилучшими „органами чувств“ (датчиками) из числа тех, что можно купить, а затем учить эту машину понимать и говорить по-английски. Этот процесс может быть сходен с обычным обучением ребенка. То есть машине надо указать на тот или иной предмет, назвать его и т. п. Повторяю, что я не знаю, как правильно ответить на этот вопрос, но я думаю, что следует попытаться использовать два этих подхода.

Мы можем заглядывать вперед лишь на очень небольшое расстояние, но уже сейчас очевидно, что нам предстоит еще очень многое сделать в той области, которая была предметом настоящей статьи“.

О Тьюринге, как о личности с нетрадиционными взглядами, со странностями характера, вспоминают многие его коллеги. О его чудачествах ходили легенды. Живя в Кембридже, он никогда не ставил часы по сигналам точного времени, а вычислял время в уме, отмечая положение определенной звезды.

В Блетчли-парке в начале июня каждого года с ним происходили сильные приступы сенной лихорадки (аллергии), и тогда он приезжал на работу на велосипеде в противогазе, спасаясь от пыльцы. У его велосипеда был дефект: через регулярные промежутки времени спадала цепь. Вместо того чтобы починить его, он подсчитывал число оборотов педалей, чтобы вовремя слезть с велосипеда и поправить цепь. Он привязывал, как вспоминает И. Гуд, цепью свою кружку к радиатору отопления, чтобы ее не стащили.

Однажды Тьюринг, узнав о падении курса английского фунта, расплавил имеющиеся серебряные монеты и закопал слиток на территории парка, но затем забыл, где именно. Тьюринг был неплохим спортсменом. После войны, чувствуя необходимость в физической разрядке, он пробежал длинную дистанцию и нашел, что преуспел в этом. Затем он выиграл трехмильную и десятимильную дистанции своего клуба, оба раза в рекордное время, а в 1947 году занял пятое место в марафонском забеге.

Многие коллеги вспоминают его энтузиазм и волнение, с которыми он брался за любую идею, интересовавшую его, — от „говорящего“ зайца до трудной научной проблемы. На него смотрели с большим уважением, т. к. он выделялся своим интеллектом и оригинальностью мышления. Его характеризовали как врожденного учителя, способного решить и объяснить любую необычную задачу. Кроме того, „не последнее слово сказано о нем как об инженере“, — говорил У. Чандлер.

Кроме выдающихся успехов, которых он добился в области компьютерной науки и машинного интеллекта, в области „чистой“ математики Тьюринг получил ряд результатов в теории аппроксимации групп Ли, конечных групп и в вычислении дзета-функции Римана.

В конце жизни он занялся вопросами биологии, а именно разработкой химической теории морфогенеза, которая дала полный простор для его редкого сочетания способностей математика с точностью вычислительной машины и одаренного философа, полного смелых и оригинальных идей. Предварительный доклад 1952 года и отчет, который появился уже после его смерти, описывают только первые наброски этой теории.

Для восстановления здоровья Тьюринг обращался в большинстве случаев к домашним средствам. Он придумал игру под названием „Необитаемый остров“. Правила игры заключались в том, что все химические вещества (в том числе и лекарства) должны быть получены из бытовых продуктов. Так он получил цианистый калий и принял его. Утром 8 июня 1954 года его нашли в постели мертвым. Через несколько дней ему исполнилось бы 42 года.

Заслуги Алана Мэтисона Тьюринга в вычислительном мире велики. И, как свидетельство тому, известнейшая Ассоциация по вычислительной технике — ACM (Association for Computing Machnery, создана в 1947 году) учредила премию его имени. Первым лауреатом премии Тьюринга в 1966 году стал Алан Перлис (один из создателей АЛГОЛа) — первый президент ACM. В дальнейшем этой премии удостаивались такие виднейшие ученые, как Джон Бэкус (создатель Фортрана), Джон Маккарти (создатель ЛИСПа, первый, кто ввел в практику термин „искусственный интеллект“), Кеннет Айверсон (создатель АЛЛ), Герберт Саймон и Аллен Ньюэлл (создатели эвристического программирования) и др.

Многие языки программирования носят имена великих математиков: ЕВКЛИД, ПАСКАЛЬ, БЭББИДЖ и т. д. В 1982 году ученые университета в Торонто создали более мощный, чем ПАСКАЛЬ, язык программирования и назвали его ТЬЮРИНГ.