محرك تحليلي

كان المحرك التحليلي عبارة عن حاسوب ميكانيكي رقمي متعدد الأغراض اقترحه عالم الرياضيات الإنجليزي ورائد الحوسبة تشارلز باباج . ^{[ 2 ] [ 3 ]} وقد وُصف لأول مرة في عام 1837 باعتباره خليفة لمحرك الفرق الخاص بباباج ، والذي كان تصميمًا لآلة حاسبة ميكانيكية أبسط . ^{[ 4 ]}

تضمنت وحدة المعالجة التحليلية وحدة حسابية منطقية (ALU)، وتدفق تحكم على شكل تفرعات شرطية وحلقات ، وذاكرة مدمجة ، مما جعلها أول تصميم لحاسوب متعدد الأغراض يمكن وصفه بمصطلحات حديثة بأنه كامل تورينج . ^{[ 5 ] [ 6 ]} بعبارة أخرى، كان هيكل وحدة المعالجة التحليلية مطابقًا بشكل أساسي للهيكل الذي هيمن على تصميم الحواسيب في العصر الإلكتروني. ^{[ 3 ]}

لم يتمكن باباج من إكمال بناء أي من آلاته بسبب خلافات مع كبير مهندسيه ونقص التمويل. ^{[ 7 ] [ 8 ]} ومع ذلك، يُعدّ هذا أحد أنجح إنجازاته. ولم يتمكن كونراد تسوزه من بناء أول حاسوب للأغراض العامة، Z3 ، إلا في عام 1941، أي بعد أكثر من قرن من اقتراح باباج للمحرك التحليلي الرائد. ^{[ 3 ]}

كانت محاولة باباج الأولى في تصميم جهاز حاسوب ميكانيكي، وهي آلة الفروق ، عبارة عن آلة مصممة خصيصًا لحساب اللوغاريتمات والدوال المثلثية عن طريق حساب الفروق المحدودة لإنشاء كثيرات حدود تقريبية . لم يكتمل بناء هذه الآلة أبدًا؛ فقد نشبت خلافات بين باباج وكبير مهندسيه، جوزيف كليمنت ، وفي النهاية سحبت الحكومة البريطانية تمويلها للمشروع. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

خلال هذا المشروع، أدرك باباج إمكانية تصميم أكثر شمولية، وهو المحرك التحليلي. ^{[ 9 ]} بدأ العمل على تصميم المحرك التحليلي حوالي عام 1833. ^{[ 12 ] [ 4 ]}

كان من المقرر إدخال البيانات، التي تتألف من برامج ("صيغ") وبيانات، ^{[ 13 ] [ 9 ]} إلى الآلة عبر بطاقات مثقبة ، وهي طريقة كانت تُستخدم آنذاك لتوجيه الأنوال الميكانيكية مثل نول جاكارد . ^{[ 14 ]} أما بالنسبة للإخراج، فكانت الآلة مزودة بطابعة، وراسمة منحنيات، وجرس. ^{[ 9 ]} كما كانت الآلة قادرة على تثقيب الأرقام على البطاقات لقراءتها لاحقًا. وقد استخدمت الآلة نظامًا حسابيًا عاديًا بنقطة ثابتة أساسه 10. ^{[ 9 ]}

كان من المفترض أن يكون هناك مخزن (أي ذاكرة) قادر على استيعاب 1000 عدد، كل منها مكون من 40 خانة عشرية ^{[ 15 ]} (حوالي 16.6 كيلوبايت ). وكانت وحدة حسابية (الطاحونة) قادرة على إجراء العمليات الحسابية الأربع ، بالإضافة إلى المقارنات، وإمكانية حساب الجذور التربيعية . ^{[ 16 ]} في البداية (عام 1838)، تم تصميمها كآلة فرق منحنية على نفسها، بتصميم دائري عام، مع خروج المخزن الطويل إلى أحد الجوانب. ^{[ 17 ]} وتُظهر رسومات لاحقة (عام 1858) تصميمًا شبكيًا منتظمًا. ^{[ 18 ] [ 19 ]} وكما هو الحال في وحدة المعالجة المركزية (CPU) في الحاسوب الحديث، ستعتمد الطاحونة على إجراءاتها الداخلية الخاصة، والتي تُعادل تقريبًا الشفرة المصغرة في وحدات المعالجة المركزية الحديثة، والمخزنة على شكل أوتاد مُدخلة في أسطوانات دوارة تُسمى "براميل"، لتنفيذ بعض التعليمات الأكثر تعقيدًا التي قد يُحددها برنامج المستخدم. ^{[ 7 ]} 

كانت لغة البرمجة التي سيستخدمها المستخدمون شبيهة بلغات التجميع الحديثة . كانت الحلقات والتفرع الشرطي ممكنة، ولذا فإن اللغة، كما تم تصورها، كانت ستكون كاملة تورينج كما عرّفها آلان تورينج لاحقًا . استُخدمت ثلاثة أنواع مختلفة من البطاقات المثقبة: واحدة للعمليات الحسابية، وأخرى للثوابت العددية، وثالثة لعمليات التحميل والتخزين، لنقل الأرقام من المخزن إلى وحدة الحساب أو العكس. كان هناك ثلاثة قارئات منفصلة لأنواع البطاقات الثلاثة. طوّر باباج حوالي عشرين برنامجًا للمحرك التحليلي بين عامي 1837 و1840، وبرنامجًا واحدًا لاحقًا. ^{[ 14 ] [ 20 ]} تعالج هذه البرامج كثيرات الحدود، والصيغ التكرارية، وحذف غاوس ، وأعداد برنولي . ^{[ 14 ] [ 21 ]}

في عام 1842، نشر عالم الرياضيات الإيطالي لويجي فيديريكو مينابريا وصفًا للآلة باللغة الفرنسية، ^{[ 22 ]} استنادًا إلى محاضرات ألقاها باباج خلال زيارته لتورينو عام 1840. ^{[ 23 ]} وفي عام 1843، تُرجم الوصف إلى الإنجليزية وأُضيفت إليه شروح وافية من قِبل آدا لوفليس ، التي كانت قد أبدت اهتمامًا بالآلة قبل ثماني سنوات. ^{[ 13 ]} تقديرًا لإضافاتها إلى بحث مينابريا، والتي تضمنت طريقة لحساب أعداد برنولي باستخدام الآلة (والتي تُعتبر على نطاق واسع أول برنامج حاسوبي كامل)، وصفها الكثيرون بأنها أول مبرمجة حاسوب ، على الرغم من أن آخرين شككوا في هذا الرأي.

في أواخر حياته، سعى باباج إلى إيجاد طرق لبناء نسخة مبسطة من الآلة، وقام بتجميع جزء صغير منها قبل وفاته عام 1871. ^{[ 1 ] [ 7 ] [ 24 ]}

في عام 1878، وصفت لجنة تابعة للجمعية البريطانية لتقدم العلوم المحرك التحليلي بأنه "معجزة من معجزات الإبداع الميكانيكي"، لكنها أوصت بعدم بنائه. أقرت اللجنة بفائدة الجهاز وقيمته، لكنها لم تستطع تقدير تكلفة بنائه، ولم تكن متأكدة مما إذا كان سيعمل بشكل صحيح بعد اكتماله. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

بين عامي 1880 و1910، كان هنري بريفوست باباج، نجل باباج ، يُشيّد جزءًا من الطاحونة وجهاز الطباعة بشكل متقطع. ^{[ 28 ]} وفي عام 1910، تمكّن الجهاز من حساب قائمة (معيبة) لمضاعفات العدد باي . ^{[ 29 ]} لم يُمثّل هذا سوى جزء صغير من المحرك بأكمله؛ إذ لم يكن قابلاً للبرمجة ولم يكن لديه مساحة تخزين. (وقد وُضِعت تسميات خاطئة في بعض الصور الشائعة لهذا الجزء، ما يوحي بأنه كان الطاحونة بأكملها أو حتى المحرك بأكمله). تُعرض "طاحونة المحرك التحليلي" لهنري باباج في متحف العلوم بلندن. ^{[ 27 ]} كما اقترح هنري بناء نسخة تجريبية من المحرك الكامل، بسعة تخزين أصغر: "ربما تكفي عشرة أعمدة للآلة الأولى، مع خمس عشرة عجلة في كل عمود". ^{[ 30 ]} يمكن لمثل هذه النسخة معالجة 20 عددًا، كل منها مكون من 25 خانة، وما يمكن توجيهها لفعله بهذه الأعداد قد يكون مثيرًا للإعجاب. كتب هنري باباج عام 1888: "إنها مسألة بطاقات ووقت فقط... ولا يوجد سبب يمنع استخدام (20 ألف) بطاقة، إذا لزم الأمر، في محرك تحليلي لأغراض الرياضي". ^{[ 30 ]}  

في عام ١٩٩١، بنى متحف العلوم في لندن نموذجًا كاملًا وعاملًا لمحرك باباج التفاضلي رقم ٢ ، وهو تصميم تضمن تحسينات اكتشفها باباج أثناء تطويره للمحرك التحليلي. ^{[ ٥ ]} بُني هذا الجهاز باستخدام مواد ودقة هندسية كانت متاحة لباباج، مما دحض الادعاء بأن تصاميم باباج لم يكن من الممكن إنتاجها باستخدام تقنيات التصنيع في عصره. ^{[ ٣١ ]}

في أكتوبر/تشرين الأول 2010، أطلق جون غراهام-كومينغ حملة "الخطة 28" لجمع التبرعات عبر "الاكتتاب العام" لتمكين دراسة تاريخية وأكاديمية جادة لمخططات باباج، بهدف بناء واختبار تصميم افتراضي متكامل، والذي بدوره سيمكّن من بناء المحرك التحليلي الفيزيائي. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} وحتى مايو/أيار 2016، لم تُجرَ أي محاولة بناء فعلية، لعدم إمكانية التوصل إلى فهم متسق من رسومات باباج التصميمية الأصلية. وعلى وجه الخصوص، لم يكن واضحًا ما إذا كان بإمكانه التعامل مع المتغيرات المفهرسة المطلوبة لبرنامج برنولي الخاص بلوفليس. ^{[ 35 ]} وبحلول عام 2017، أفادت مبادرة "الخطة 28" بتوفر قاعدة بيانات قابلة للبحث تضم جميع المواد المفهرسة، وإتمام مراجعة أولية لدفاتر باباج الضخمة. ^{[ 36 ]}

تمت رقمنة العديد من رسومات باباج الأصلية وهي متاحة للجمهور عبر الإنترنت. ^{[ 37 ]}

من غير المعروف أن باباج قد دوّن مجموعة تعليمات صريحة للمحرك على غرار دليل المعالج الحديث. بدلاً من ذلك، عرض برامجه على شكل قوائم من الحالات أثناء تنفيذها، موضحًا العملية التي تم تشغيلها في كل خطوة مع القليل من الإشارة إلى كيفية توجيه تدفق التحكم.

افترض آلان جي. بروملي أنه يمكن قراءة مجموعة البطاقات في الاتجاهين الأمامي والخلفي كدالة للتفرع الشرطي بعد اختبار الشروط، مما يجعل المحرك كاملاً تورينج:

...يمكن إصدار أوامر للبطاقات بالتحرك للأمام والخلف (وبالتالي التكرار)... ^{[ 14 ]}

في عام ١٨٤٥، تم تقديم عمليات المستخدم لأول مرة لمجموعة متنوعة من وظائف الخدمة، بما في ذلك، والأهم من ذلك، نظام فعال لتحكم المستخدم في الحلقات في برامج المستخدم. لا يوجد ما يشير إلى كيفية تحديد اتجاه دوران بطاقات العمليات والمتغيرات. في غياب أدلة أخرى، اضطررت إلى اعتماد الافتراض الافتراضي الأدنى بأن بطاقات العمليات والمتغيرات لا يمكن تدويرها إلا للخلف، وهو ما يلزم لتنفيذ الحلقات المستخدمة في برامج باباج النموذجية. لن تكون هناك أي صعوبة ميكانيكية أو برمجية دقيقة في وضع اتجاه الحركة تحت سيطرة المستخدم. ^{[ ٣٨ ]}

تقول شركة فورميلاب في برنامج محاكاة المحرك الخاص بها :

لا يقتصر قارئ البطاقات في المحرك على معالجة البطاقات بشكل متسلسل من البداية إلى النهاية فحسب، بل يمكنه أيضًا، بناءً على البطاقات التي يقرأها وحالة تشغيل ذراع بدء التشغيل في المطحنة، إما أن يدفع سلسلة البطاقات للأمام متجاوزًا البطاقات الموجودة بينها، أو للخلف، مما يؤدي إلى معالجة البطاقات التي تمت قراءتها سابقًا مرة أخرى.

يُوفر هذا المحاكي مجموعة تعليمات رمزية مكتوبة، مع العلم أنها من تصميم مؤلفيه وليست مبنية على أعمال باباج الأصلية. على سبيل المثال، يُكتب برنامج حساب المضروب على النحو التالي:

رقم 6 N1 1 N2 1 × L1 L0 S1 – L0 المستوى الثاني S0 المستوى الثاني L0 CB؟11

حيث أن CB هي تعليمات التفرع الشرطي أو "بطاقة التركيب" المستخدمة لجعل تدفق التحكم يقفز، في هذه الحالة إلى الخلف بمقدار 11 بطاقة.

لو تم بناء المحرك التحليلي، لكان رقميًا وقابلًا للبرمجة وكاملًا من حيث قدرة تورينج . إلا أنه كان سيكون بطيئًا للغاية. ذكر لويجي فيديريكو مينابريا في كتابه "رسم تخطيطي للمحرك التحليلي ": "يعتقد السيد باباج أنه يستطيع، بواسطة محركه، حساب حاصل ضرب عددين، كل منهما يحتوي على عشرين رقمًا، في ثلاث دقائق". ^{[ 55 ]} بالمقارنة، كان بإمكان حاسوب هارفارد مارك 1 إنجاز المهمة نفسها في ست ثوانٍ فقط (مع أن اكتمال قدرة تورينج لهذا الحاسوب محل نقاش؛ إذ كان حاسوب إينياك، المكتمل، أسرع منه أيضًا). ويمكن لوحدة المعالجة المركزية الحديثة إنجاز المهمة نفسها في أقل من جزء من مليار من الثانية.

• شارك الروائيان ويليام جيبسون وبروس ستيرلينغ، المتخصصان في أدب السايبربانك، في تأليف رواية ستيمبانك تاريخية بديلة بعنوان " محرك الاختلاف " ، حيث أصبحت محركات باباج للاختلاف والتحليل متاحة للمجتمع الفيكتوري. تستكشف الرواية عواقب وتداعيات الإدخال المبكر للتكنولوجيا الحاسوبية.
• تصف قصة "موريارتي عبر المودم" ، وهي قصة قصيرة من تأليف جاك نيمرشيم، تاريخًا بديلًا حيث اكتمل بالفعل محرك باباج التحليلي، واعتُبر سريًا للغاية من قِبل الحكومة البريطانية. في الواقع، كانت شخصيتا شرلوك هولمز وموريارتي عبارة عن مجموعة من البرامج النموذجية المكتوبة لهذا المحرك. تروي هذه القصة القصيرة قصة هولمز أثناء تطبيق برنامجه على أجهزة الكمبيوتر الحديثة، حيث يُجبر على التنافس مجددًا ضد خصمه اللدود في النسخ الحديثة من محرك باباج التحليلي. ^{[ 61 ]}
• يستخدم سيدني بادوا إطارًا مشابهًا لقصة "محرك الاختلاف" في سلسلة القصص المصورة على الإنترنت "مغامرات لوفليس وباباج المثيرة " . ^{[ 62 ] [ 63 ]} تدور أحداثها في تاريخ بديل حيث قامت آدا لوفليس وباباج ببناء المحرك التحليلي واستخدماه لمحاربة الجريمة بناءً على طلب الملكة فيكتوريا . ^{[ 64 ]} تستند القصة المصورة إلى بحث دقيق في سيرتي باباج ولوفليس ومراسلاتهما، والتي تم تحريفها لاحقًا لإضفاء طابع فكاهي.
• يُقدّم مشروع "ذراع أوريون " الإلكتروني " ماكينا باباجينسي" ، وهي حواسيب ميكانيكية مستوحاة من باباج تتمتع بوعي كامل. يبلغ حجم كل منها حجم كويكب كبير، ولا تستطيع البقاء إلا في ظروف انعدام الجاذبية، وتعالج البيانات بسرعة تعادل 0.5% من سرعة الدماغ البشري. ^{[ 65 ]}
• يظهر تشارلز باباج وآدا لوفليس في حلقة من مسلسل دكتور هو بعنوان " سبايفول الجزء 2 "، حيث يتم عرض المحرك والإشارة إليه.

• أوراق باباج ، أرشيف متحف العلوم
• يتضمن المحرك التحليلي في فورميلاب وثائق تاريخية ومحاكاة عبر الإنترنت
• صورة "المخطط العام لآلة باباج الحاسبة العظيمة" (1840)، بالإضافة إلى وصف حديث لميزات التشغيل والبرمجة . مؤرشفة من الأصل في 21 أغسطس 2008.
• صورة لخطة لاحقة لمحرك تحليلي مع تخطيط شبكي (1858)
• أول برميل باباج عامل تم تجميعه فعلياً، حوالي عام 2005
• عدد خاص، حوليات IEEE لتاريخ الحوسبة ، المجلد 22، العدد 4، أكتوبر - ديسمبر 2000 (الاشتراك مطلوب)
• باباج ، متحف العلوم، لندن (أرشيف)
• "المحرك التحليلي الرائع - كيف يعمل؟" . نظارات ثنائية الأبعاد . 31 مايو 2015. مؤرشف من الأصل في 26 نوفمبر 2021. تم الاطلاع عليه في 23 أغسطس 2017 .
• الخطة رقم 28: بناء المحرك التحليلي لتشارلز باباج