اكتشافات علميه حديثة فى مجالات الكومبيوتر

"ماثيو سباركس" يتحدث هنا عن اكتشافات جديدة، تُصدم العلماء حول العلاقة بين وقت الحساب وكمية الذاكرة المطلوبة فى الكمبيوتر . بينما "أليكس ويلكنز" يحدثنا عن حاسوب قابل للحياكة يمكن أن يصنع ملابس تتبع صحتك 

هناك إكتشاف مذهل أثار إعجاب علماء الحاسوب، حول العلاقة بين كمية الذاكرة التى تتطلبها أى عملية حسابية ومدى الوقت الذى تستغرقه  – هذا على الرغم من عدم وضوح ما إذا كانت هناك أساساً أى تطبيقات عملية لمثل هذا الاكتشاف أم لا.  

يقول "رايان ويليامز" من "معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا"، وهو الذى قام لهذا الاكتشاف: "هذا الاكتشاف يهز بقوة نظرتى للعالم. اعتقد أننى ما زلت مصدومًا من وجوده أساسًا".  

نحن نعرف أن الوقت ومساحة الذاكرة هما القيدان الرئيسيان اللذان يحددان ما يمكننا حسابه. فبعض المشاكل تتطلب الكثير من الذاكرة، وبعضها يتطلب الكثير من الوقت، والعديد منها يتطلب كليهما. دراسة مثل هذه القيود هى مجال تخصص الباحثين فى موضوع "تعقيد الحسابات"، حيث يشيرون إلى "الوقت" باعتباره عدد الخطوات التى يتخذها الحاسوب لأداء مهمة معينة، و"المساحة" على أنها عدد خانات الذاكرة التى يتطلبها إنجاز تلك المهمة.  

بديهيًا، هذه القيم مرتبطة ببعضها، لأنه كمثال، إذا كانت هناك مهمة تتطلب X خطوة، ففى أسوأ السيناريوهات، حين يحتاج الحاسوب للوصول إلى الذاكرة فى كل خطوة، فهو سيحتاج إلى X خانات ذاكرة.  

كان الباحثون قد تمكنوا فى السبعينيات، من خفض سقف كمية الذاكرة المطلوبة فى مثل هذا السيناريو الأسوأ. حين تم اكتشاف أن أى عملية حسابية تتطلب X خطوة يمكن إنجازها باستخدام X/log X من الذاكرة. 

على سبيل المثال، البرنامج الذى يتطلب 100 خطوة زمنية يمكنه أن يعمل باستخدام 50 خانة ذاكرة، حيث أن log 100 يساوى 2.  

يقول "لانس فورتناو" من "معهد إلينوى للتكنولوجيا": "حتى الأسبوع الماضى، كان هذا هو أفضل ما نعرفه ". لكن "ويليامز" أظهر الآن أن هذا يمكن أيضاً تقليله بشكل كبير – إلى الجذر التربيعى لـ X log X. بدلًا من 100 أو 50 خانة ذاكرة، يمكن إنجاز مهمة تتطلب 100 خطوة باستخدام 15 خانة ذاكرة فقط.  

ويضيف "فورتناو": عندما أرسل "رايان ويليامز" مؤخراً هذه الورقة البحثية، كان الأمر صادمًا، وكنا جميعًا فى دهشة". 

بل حتى "ويليامز" نفسه كان فى حالة صدمة، ويقول: "استغرقنى الأمر شهورًا لأقتنع بأنها ليست مجرد فكرة خاطئة. وما زال من الصعب جدًا على استيعابها. يمكننى أن أمر بجميع الخطوات، والبرهان، وأتحقق من أن كل خطوة صحيحة وأنها حقيقية. لكنى فى النهاية ما زلت أتساءل فى تشكك".  

يبدو هذا الاكتشاف بعيدا عن التصديق، لأنه يعنى أن الحواسيب تحتاج فقط إلى مساحة كافية لتخزين جزء صغير من المشكلة فى الذاكرة –  انه يشبه كما لو كان فى قدرة البشر حل مسائل رياضية معقدة متعددة الخطوات دون الحاجة إلى كتابتها، مع الاعتماد فقط على ذاكرتنا قصيرة المدى المحدودة.  

يعتمد نهج "ويليامز" على ما يُعرف ب "تقييم الشجرة". يتضمن هذا سلسلة من الحسابات المرتبطة فى هيكل يشبه الشجرة المتفرعة، حيث يتطلب حساب النتيجة النهائية عند "جذر" الشجرة أولاً حساب "الأوراق"، ثم "الفروع"، وهكذا. 

أظهرت التطورات الحديثة أنه يمكن القيام بذلك باستخدام خوارزمية تعيد استخدام ذاكرة الحاسوب الممتلئة بالفعل – وهو بحد ذاته اكتشاف غير متوقع.  

لتطبيق هذا على مسألة الوقت والمساحة، أنشأ "ويليامز" نموذجًا يمكنه تمثيل أى مشكلة حسابية، ثم طبق خوارزمية تقييم الشجرة الجديدة، موضحًا أنها يمكن أن تقلل بشكل كبير من كمية الذاكرة المطلوبة. ويقول إنها تتضمن حيلًا رياضية و"إلغاءات سحرية" تقدم فى النهاية إجابات صحيحة.  

يقول 'إيان ميرتز" من "جامعة تشارلز" فى جمهورية التشيك، وهو أحد الباحثين الذين طوروا الخوارزمية الجديدة: "هذا الشعور يتجاوز الإثارة. بالتأكيد إنها نتيجة غير بديهية، أننى أقول إن خوارزميات تقييم الشجرة لدينا كانت بالفعل غير بديهية إلى حد كبير".  

لكن بينما صدم حجم الاكتشاف علماء الحاسوب، فإنه لن يغير بالضرورة الطريقة التى نستخدم بها الحواسيب. المشكلة هى أن الاكتشاف، على الرغم من انه يظهر أنه يمكنك تقليل كمية الذاكرة المطلوبة لإجراء عملية حسابية، فإن هذا فى الواقع، لن يقلل الوقت المستغرق. 

ذاكرة الحاسوب متوفرة بسهولة، لذا فإن تقليل الكمية التى نحتاجها ليس فى الحقيقة ذات أولوية.  

لو كان هذا الإكتشاف يسمح بالعكس – أى إضافة المزيد من الذاكرة لتسريع الحسابات – كان ذلك سيكون مفيدًا جدًا مع تباطؤ تطور سرعة المعالجات، لكن ما إذا كان هذا ممكنًا يبقى غير واضح. 

يقول "ميرتز": "الآن بعد أن عرفنا أن الخوارزميات الفعالة فى الوقت يمكن جعلها فعالة فى المساحة، يمكننا البحث عن مقايضات جيدة لكل من الوقت والمساحة فى نفس الوقت، وهذا مفيد بشكل حقيقى".  

يقول "فورتناو" إنه لا يرى آثارًا عملية فورية لهذا العمل، لكنه يضيف أن المزيد من المفاجآت فى تعقيد الحسابات يمكنها أن تهز الطريقة التى نحل بها المشاكل الصعبة. يقول: "فإذا صُدمت مرة، يمكنك أن تصدم مرة أخرى". ■

الكمبيوتر القابل للحياكة

يمكننا الآن صناعة أجهزة حاسوب مرنة على شكل خيوط، بحيث يمكن حياكتها فى الملابس كى تسجل بيانات كاملة عن الجسم، مما قد لا تستطيع معظم المستشعرات الطبية التقاطها.  

تتبع معظم تلك الأجهزة القابلة للارتداء، مثل الساعات الذكية، إشارات من الجسم مثل معدل ضربات القلب، ولكن عادةً من نقطة واحدة فقط. وهو ما لا يمكنه إعطاء صورة مكتملة عن كيفية عمل الجسم.  

الآن، طور "يويل فينك" من "معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا" وزملاؤه حاسوبًا يمكن حياكته فى الملابس، مصنوعًا من رقاقات متصلة بخيط من النحاس والألياف المرنة.  

يحتوى الخيط على 256 كيلوبايت من الذاكرة المدمجة، وهى تقريبًا نفس كمية الذاكرة فى الآلة الحاسبة البسيطة، بالإضافة إلى مستشعرات يمكنها قياس درجة الحرارة ومعدل ضربات القلب وحركات الجسم. كما أنه يحتوى على تقنية "Bluetooth" للتواصل مع الخيوط الأخرى.  

يقول "فينك" إن هذا يعنى أن الخيوط يمكنها جمع بيانات محددة الموقع من الجسم، والتى يمكن نظريًا استخدامها بواسطة الذكاء الاصطناعى لمراقبة صحة الشخص بدقة أكبر. 

"نحن نقترب جدًا من نقطة يمكننا فيها كتابة تطبيقات للأقمشة وبدء مراقبة صحتنا والقيام بأشياء كثيرة لا يمكن للهاتف القيام بها".  

لصنع الخيوط الفردية، قام "فينك" وفريقه بطى الرقاقات فى هيكل ثلاثى الأبعاد وربطها بسلك نحاسى. ثم قاموا بتغليف السلك بغلاف بلاستيكى واقٍ، تم سحبه إلى أنبوب أرق يمكن تغطيته بقماش مثل القطن.  

لاختبار الخيوط، تم حياكة أربعة ألياف فى ساقى وذراعى ملابس شخص. وجد الباحثون أنهم يمكنهم تحديد الحركات المختلفة التى قام بها هذا الشخص، مثل الاندفاع وجلوس القرفصاء ودوائر الذراع.

يقول "ثيو هيوز-رايلاى" من "جامعة نوتنغهام ترينت" فى المملكة المتحدة إنه بالإضافة إلى تسجيل التمارين، يمكن أن يكون هذا مفيدًا لاكتشاف عندما يتعرض شخص ضعيف لسقوط خطير. ■