مدتهاست که با دوستان مختلف، روی نوشتن مطالبی پیرامون رشته مهندسی کامپیوتر بحث می‌کنیم. این بحثها شامل ایرادات روتین بچه‌های مهندسی کامپیوتر تا کار کردن روی یک پروژه نه چندان بزرگ (ولی پرچالش!) میشه. از اونجایی که تازه هم کنکور گذشته و بچه ها کمی آزاد شدن، ولی ممکنه برای انتخاب رشته دچار تردید بشن؛ وقت خوبی بود که مطالبی در مورد ماهیت این رشته نوشته بشه. مطالبی که مینویسم، حاصل مطالعاتیه که در این چند سال داشتم. سعی میکنم کمی تاریخ تعریف کنم، کمی از علوم کامپیوتر بگم و در نهایت هم کمی از چیستی و ماهیت خود خود کامپیوتر (نه رشته).

کمی تاریخ

باید ببینیم کامپیوترها از کجا اومدن و چه اشخاصی در شکل گیری اونها، نقش داشتن. این کمی سخته که دقیقا بخوایم بگیم از کجا اومدن. انسان، از وقتی هوشمند شد و ابزار ساخت به دنبال ابزار کاملی برای حل مساله بود، پس همیشه هم تلاشش در این راستا بوده که این ابزار رو بسازه. در طول تاریخ هم، علوم و فنون مختلف به کمکش اومدن تا این ابزار رو کامل تر کنه. بذارید تعدادی از این علوم رو با هم بررسی کنیم.

فلسفه و ریاضیات

فلاسفه و ریاضی دانان، افرادی بودن که به دنبال پاسخ بودن. البته فلاسفه، پرسشگران قهارتری هم بودن و گاهی، سوالاتی مطرح کردند و ریاضیدانان، اون سوالات رو پاسخ دادن. حالا با توجه به این که کامپیوتر یک «ابزار حل مساله‌»س، میشه گفت هر دو گروه به شدت درش دخیل بودن.گاهی هم فلاسفه‌ای که روی علوم کامپیوتر تاثیر داشتند، ریاضی دان هم بودن. نمونه‌ش هم «محمد بن موسی خوارزمی» دانشمند پارسی‌گو.

خوارزمی، شاید اولین کسی بود که «تفکر رایانش» رو ابداع کرد. در کتاب معروفی به نام «جبر و مقابله» به حل معادلات جبری پرداخته و راه حل هاش، عموما مرحله مرحله و شفافن. به همین خاطر هم وقتی این روش حل مساله به اروپا میرسه، اروپایی ها بخاطر «الخوارزمی» (اسم ایشون) ، که در لاتین «الگوریتمی» گفته می‌شده، روش حل مساله رو «الگوریتم» اسم گذاشتند. چیزی که هنوز که هنوزه، داره استفاده میشه.

البته، کار خوارزمی نظام بخشیدن و سازمان دادن به علوم و فنونی بوده که در زمان خودش، مطرح می‌شده. در واقع، از کشف صفر توسط هندی ها تا قضایای که امثال تالس و فیثاغورث پایه گذاشتن، همه در نوشته شدن «جبر و مقابله» و ایجاد تفکر سیستماتیک برای حل مساله، دخیل بودن.

منطق

گرچه بهتر بود این یک مورد رو، قبل از فلسفه و ریاضیات میاوردم، ولی به نظر من منطق حاصل برخورد فلسفه و ریاضیه. گرچه خیلی قبل تر از خوارزمی منطق مطرح شده بود، اما دورانی هم که ماحصل کارش یعنی «جبر و مقابله» به اروپا رسید، ابتدای راه استفاده از منطق در بیان و حل مسائل بودند. پس سعی کردند با استفاده از منطق و جبر، بسیاری از مسائل رو حل کنند. منطقی که در اینجا قراره درموردش صحبت کنم همون منطق «ارسطو» است، منطقی که شاید امروزه پایه و اساس همه کامپیوترهاست.

منطقی که ارسطو بنیان گذاشته، یک منطق صفر و یکی به حساب میاد. بذارید اینطوری بگم؛ با منطق ارسطویی میشه اینطور گفت :

علی از احمد قدبلندتره. احمد از حسن قد بلند تر. پس علی از حسن هم قدبلندتره

و در این مورد، منطق ارسطویی کاملا کار میکنه. مثلا ریاضیاتیش میشه :

اگر x آنگاه y ، اگر y آنگاه p -> اگر x آنگاه p

و این بیان رو ما اصولا در نوعی از ریاضیات به نام «ریاضیات گسسته» یاد می‌گیریم. چیزی که پایه و اساس علوم و مهندسی کامپیوتر امروزیه. اما، این فقط کافی نیست؛ منطق در یک محیط خاص کار میکنه که ما اعدادی جز صفر و یک نداریم! پس نیاز به نوعی از محاسبه و جبر داریم که برای فقط صفر و یک، کار کنه و کافی باشه. چیزی به اسم «جبر بول»

آقایی که در تصویر می‌بینید، جورج بول، ریاضی‌دان و فیلسوف انگلیسیه که با پایه گذاری جبر صفر و یکی بر مبنای «صحیح و غلط» خودش، علوم کامپیوتر رو شدید تسریع کرد. در سده نوزدهم خیلی چیزا ساخته شدن و اکثرا هم، بر پایه همین «بودن یا نبودن» آقای بول کار میکردن. اما اشتباهاتی هم در این میان رخ داده که حالا بهش میرسیم!

وقتی همه چیز مکانیکی شد

 

محاسبه گرهای مکانیکی، تقریبا از زمانی که معاملات جزئی از زندگی بشر شدند وجود داشتن. مثل چرتکه که حاصل کار چینی ها بوده (روزگاری هم باقی دنیا از چینی ها کپی می‌کردن!) ، ولی محاسبه‌گرهایی مثل چرتکه، صرفا چهارعمل اصلی رو انجام میدادن و بعدها ریاضی‌دانها از اون وسیله برای محاسبه ریشه دوم و سوم اعداد هم سعی کردند استفاده کنن. ولی محاسبه گرهای پیچیده تری لازم بود!

آقایی که در تصویر می‌بینید «چارلز بابیج» یک ریاضی‌دان و مهندس انگلیسی بود. ایشون ایده «موتور تحلیلی» رو مطرح کرد که چیزی بود شبیه کامپیوترهای امروز. برنامه پذیر و قابلیت حل تعداد زیادی مساله در زمانی کم. اما، کار ایشون مشکلاتی داشت. ایشون سعی داشت همه چیز رو مکانیکی پیاده کنه و زمانی که این ایده رو مطرح کرد ماشین های مکانیکی هنوز اونقدر پیشرفته نبودن. و مشکل دوم رو بالاتر اشاره کردم، ایشون مدعی بوده که بدون جبر بول هم میتونه کامپیوتر رو پیاده کنه و کامپیوتری بسازه که با مبنای ده کار کنه (چیزی که هنوز هم نشده 🙂 ) .

اما ماشین های مکانیکی کم کم به سمت جبر بول و محاسبات آماری رفتن. یک بار دیگه این تصویر رو با هم ببینیم:

این تصویر، تصویری از یک ماشین «شرط بندی» است که در نیوزلند نصب شده بوده. عملکرد مکانیکی برای محاسبات آماری مربوط به شرط بندی روی مسابقه اسبها داشته.

اما مکانیک کافی نبود، لازم بود اما کافی نبود. پس به عصر «الکترومکانیک» باید سفری کوتاه داشته باشیم!

همه چیز از یک رله شروع شد

رله، قطعه الکتریکیه که میتونه مشابه یک کلید عمل کنه. در واقع اعمال ولتاژ به یک قسمتش، میتونه قطع و وصل شدن جریان الکتریکی در یک قسمت دیگر مدار رو تضمین و کنترل کنه (به این شکل ما مثلا میتونیم با استفاده از اینترنت، یک لامپ رو خاموش روشن کنیم!). در اون زمان، به فکر یه مهندس خوش ذوق آلمانی به اسم «کانراد تسوزه» زد که جبر بول رو با رله پیاده کنه. تسوزه چند تا پیاده سازی داشت ولی معروفترینشون این بود :

کامپیوتر Z4 آلمانی که در دهه ۳۰ ساخته شد و خیلی هم به کمک ارتش آلمان در جنگ دوم جهانی اومد. اما مطمئنا یک نابغه خوش ذوق دیگر در طرف انگلیسی وجود داره که بتونه از ساز و کار این ماشین، سردربیاره!

قبل از این که به اونطرف قضیه بپردازیم، این ماشین به شکل امروزی تونست برنامه اجرا کنه و زبان برنامه نویسی خاص خودش رو داشت. مجهز به سیستم ذخیره و بازیابی «پانچ کارد» بود و خیلی از مفاهیم امروزی رو در خودش داشت. اما هنوز نمیتونست «کامپیوتر» کاملی باشه چون خیلی مفاهیم رو نتونست پیاده سازی کنه، مهم تر از همه، شدیدا وابسته به عامل انسانی بود.

شروع بازی تقلید!

موقعی که کشورهای مختلف درگیر جنگ دوم بودن، اکثرا پیامهاشون رو رمزنگاری می‌کردن و شکستن رمزها، واقعا یک نابغه می‌طلبید. یک نابغه خوش ذوق که بتونه قهرمان جنگی باشه و رمز آلمانها رو بشکنه و متفقین رو، پیروز میدان کنه!

آقایی که در تصویر می‌بینید «آلن تورینگ» انگلیسی، این کار رو کرد. رمز آلمانیها موسوم به «انیگما» رو شکست و به این ترتیب قهرمان جنگی شد. اما کارش به همینجا ختم نشد و در دهه ۵۰ میلادی ایده «تفکر در رایانه» و «هوش مصنوعی» رو مطرح کرد که تا امروز هم مطالعه روی این موضوعات، ادامه داره. این شخص به معنای واقعی، نابغه و خوش ذوق بوده.

ترانزیستور و عصر سیلیکون

خب، این هم از فصل آخر تاریخ کامپیوتر. در اواخر دهه ۴۰ ، کامپیوترها یک دفعه رشد کردند. کشف ترانزیستور باعث شد مدارات الکتریکی و الکترونیکی مورد نیاز برای ساخت کامپیوتر بتونن روی یک سطح چند سانتی متری از سیلیکون خلاصه بشن. قطعاتی با کاربرد بالاتر ساخته بشن. عصر سیلیکون مصادف بود با حضور امثال دنیس ریچی و کن تامپسون و مفاهیمی مثل «سیستم عامل» (توضیح این بخش از تاریخ خودش یک پست جدا میطلبه پس شاکی نباشید از من لطفا!) مطرح بشن و رشد نرم افزاری در این حد، باعث شد که اصلا سرعت رشد یک شکل دیگری به خودش بگیره!

کامپیوتر چیست؟ کامپیوتر کیست؟

شاید باورتون نشه ولی قبل از ظهور ماشین های محاسبه گر، کامپیوتر یک عنوان شغلی بوده برای کسانی که محاسبات پیچیده رو انجام میدادن (و طوری که در موردشون مطالعه کردم، ظاهرا حق پرسش در مورد این که این محاسبه رو چرا دارن انجام میدن نداشتن) و بخش جالبتر این بوده که عموما «کامپیوتر»ها رو در سازمانها، خانمها تشکیل میدادن (البته اولین برنامه نویس جهان هم یک خانم به اسم ایدا لاولس بوده که در تصویر زیر می‌بیندشون).

البته، اونقدری نمی‌گذره که «علوم کامپیوتر» مطرح میشه. بعنوان علم مطالعه و پردازش داده. و این پدیده، همزمان بوده با پدیدار شدن کامپیوترهای به معنای امروزی. پس بیشتر اپراتور و برنامه نویس تربیت می‌کردند.

در تصویر بالا هم، عکسی از اپراتورهای کامپیوتر انیاک (در امریکا) رو می‌بینید که هم باید به نرم افزار مسلط می‌بودن و هم سخت افزارش.

اما به طور کل، کامپیوتر امروزه چی تعریف میشه؟ کامپیوتر یعنی وسیله‌ای برای پردازش داده و استفاده از اون داده در علم. ما داده های مختلفی داریم که کامپیوتر میتونه برای ما پردازشش کنه و نتیجه اون پردازش رو در هر شکلی به ما بده (یک نمودار، روشن و خاموش شدن یک دستگاه خاص یا حتی یادگیری و تکرار یک عمل از روی همون داده ها). پس، تا اینجا هم تا حد زیادی تاریخ کامپیوتر رو تونستیم بفهمیم، هم تعریفش رو. شاید براتون جالب باشه که اصلا کامپیوتر ها چطوری هم ساخته میشن!

کامپیوتر چطور داده رو پردازش میکنه؟

برگردیم به همون جبر بول. ما یه سری وسیله (یا بهتر بگم نمایش الکترونیکی!) از عملیات بولی داریم که بهشون میگن «دروازه منطقی» یا همون گیت. گیتها به این شکل هستند :

هر کدوم از اینها میتونن یکی از توابع بولین رو پیاده کنن. حالا، ما اگر اینها رو کنار هم بچینیم میتونیم بخش بزرگی از محاسبات رو به سادگی انجام بدیم. مثلا این مداری که من ساختم رو ببینید :

این مداریه که یک عدد BCD (که نوعی رمزگذاری در کامپیوتره) رو دریافت میکنه، به صورت دهدهی (دسیمال، مبنای ده) در خروجی قرار میده. حالا ما میتونیم اونطرف با یک Encoder این مقادیر رو دوباره به BCD یا هر فرمت دیگری تبدیل کنیم. در واقع کاری که ما انجام دادیم همون پردازش داده‌س. حالا هر قسمتی رو میشه یک بلاک در نظر گرفت و کنار هم قرار داد تا به چنین چیزی رسید :

مداری که در بالا طراحی کردم، یک واحد محاسبه و منطق برای یک کامپیوتر هشت بیتی بود (لینک) و این واحد، همونجاییه که داده پردازش میشه. البته واحد کنترل و حافظه هم در کامپیوتر داریم که برای کنترل پروسه پردازش و ذخیره داده پردازش شده ازشون استفاده می‌کنیم!

خب، فکر کنم به اندازه کافی اون چیزایی که میخواستم رو پوشش دادم، امیدوارم اگر قصد کامپیوتر خوندن دارید، شیرینی و زیبایی این رشته رو قبل از ورود به دانشگاه درک کنید و وقتی واردش می‌شید، لذت ببرید 🙂