वॉन न्यूमैन यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर

जॉन वॉन न्यूमैन का यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर सेलुलर स्वचालित (सीए) वातावरण में स्व-प्रतिकृति मशीन है। इसे 1940 के दशक में कंप्यूटर के उपयोग के बिना डिजाइन किया गया था। मशीन के मौलिक विवरण वॉन न्यूमैन की पुस्तक  'थ्योरी ऑफ सेल्फ-रिप्रोड्यूसिंग ऑटोमेटा' में प्रकाशित हुए थी जो 1966 में आर्थर बर्क्स द्वारा पूरी की गई थी। वॉन न्यूमैन की मृत्यु के पश्चात आर्थर डब्ल्यू बर्क्स ने इस पुस्तक को पूरा किया था । जबकि सामान्यतः वॉन न्यूमैन के अन्य कार्य के रूप में अच्छी तरह से ज्ञात नहीं है, इसे ऑटोमेटा सिद्धांत, सम्मिश्र प्रणालियों और कृत्रिम जीवन के लिए आधारभूत माना जाता है।  दरअसल, नोबेल पुरस्कार विजेता सिडनी ब्रेनर ने स्व-पुनरुत्पादन ऑटोमेटा (कंप्यूटिंग मशीनों पर ट्यूरिंग के कार्य  के साथ) पर वॉन न्यूमैन के कार्य  को जैविक सिद्धांत के साथ-साथ केंद्रीय माना, जिससे हमें प्राकृतिक और कृत्रिम दोनों तरह की मशीनों के बारे में अपने विचारों को अनुशासित करने की अनुमति मिली थी। वॉन न्यूमैन का लक्ष्य, इस प्रकार है कि 1949 में इलिनोइस विश्वविद्यालय में उनके व्याख्यान में निर्दिष्ट है, ऐसी मशीन निर्माण करना था जिसकी सम्मिश्रता प्राकृतिक चयन के अनुसार जैविक जीवों के समान स्वचालित रूप से विकसित हो सके। उन्होंने पूछा कि मशीनों को विकसित करने में सक्षम होने के लिए सम्मिश्रता की सीमा क्या है जिसे पार करना होगा। उनका उत्तर था कि अमूर्त मशीन को निर्दिष्ट करना जो चलने पर खुद को दोहराएगी। अपने डिजाइन में, स्व-प्रतिकृति मशीन में तीन भाग होते हैं: स्वयं का विवरण ('ब्लूप्रिंट' या प्रोग्राम), सार्वभौमिक कन्स्ट्रक्टर तंत्र जो किसी भी विवरण को पढ़ सकता है और उस विवरण में एन्कोडेड मशीन (बिना विवरण) का निर्माण कर सकता है, और यूनिवर्सल कॉपी मशीन जो किसी भी विवरण की कॉपी बना सकती है। विवरण में एन्कोडेड नई मशीन के निर्माण के लिए यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर का उपयोग करने के पश्चात, कॉपी मशीन का उपयोग उस विवरण की प्रति बनाने के लिए किया जाता है, और यह कॉपी नई मशीन को दी जाती है, जिसके परिणामस्वरूप मूल मशीन की कार्यशील प्रतिकृति होती है। जो पुनरुत्पादन जारी रख सके। कुछ मशीनें इसे पीछे की ओर करेंगी, विवरण की प्रतिलिपि बनाएँगी और फिर मशीन का निर्माण करेंगी। महत्वपूर्ण रूप से, स्व-पुनरुत्पादन मशीन विवरण के उत्परिवर्तन को जमा करके विकसित हो सकती है, न कि मशीन स्वयं, इस प्रकार सम्मिश्रता में बढ़ने की क्षमता प्राप्त कर रही है।

अपनी मशीन को और अधिक विस्तार से परिभाषित करने के लिए, वॉन न्यूमैन ने सेल्यूलर आटोमेटा की अवधारणा का आविष्कार किया। वॉन न्यूमैन सेलुलर स्वचालित में कक्षाओं का द्वि-आयामी ग्रिड होता है, जिनमें से प्रत्येक किसी भी समय 29 स्तिथि में हो सकता है। प्रत्येक टाइमस्टेप पर, प्रत्येक कक्ष पूर्व टाइमस्टेप पर आसपास के कक्ष की स्थिति के आधार पर अपनी स्थिति को अपडेट करता है। इन अद्यतनों को संचालित करने वाले नियम सभी कक्षों के लिए समान हैं।

इस सेलुलर स्वचालित में सार्वभौमिक कन्स्ट्रक्टर कक्ष स्तिथि का निश्चित पैटर्न है। इसमें कक्षाओं की पंक्ति होती है जो विवरण के रूप में कार्य करती है (ट्यूरिंग मशीन या ट्यूरिंग के टेप के समान), निर्देशों के अनुक्रम को एन्कोड करती है जो मशीन के लिए 'खाका' के रूप में कार्य करती है। मशीन इन निर्देशों को एक-एक करके पढ़ती है और संबंधित क्रियाएं करती है। निर्देश मशीन को अपनी 'निर्माण शाखा' ( अन्य ऑटोमेटन जो ऑपरेटिंग सिस्टम की तरह कार्य करता है) का उपयोग करने के लिए निर्देशित करता है कक्ष ग्रिड में किसी अन्य स्थान पर, विवरण टेप के बिना, मशीन की प्रतिलिपि बनाने के लिए विवरण में समान रूप से लंबा विवरण टेप बनाने के निर्देश नहीं हो सकते, जैसे कंटेनर में समान आकार का कंटेनर नहीं हो सकता। इसलिए, मशीन में भिन्न  कॉपी मशीन सम्मिलित होती है जो विवरण टेप को पढ़ती है और नई निर्मित मशीन को कॉपी पास करती है। यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर और कॉपी मशीन प्लस विवरण टेप का परिणामी नया सेट पुराने के समान है, और यह फिर से दोहराने के लिए आगे बढ़ता है।

उद्देश्य
वॉन न्यूमैन के डिजाइन को पारंपरिक रूप से मशीन स्व-प्रतिकृति के लिए तार्किक आवश्यकताओं के प्रदर्शन के रूप में समझा गया है। चूँकि, यह स्पष्ट है कि कहीं अधिक सरल मशीनें स्व-प्रतिकृति प्राप्त कर सकती हैं। उदाहरणों में तुच्छ क्रिस्टल विकास|क्रिस्टल जैसी वृद्धि, टेम्पलेट प्रतिकृति, और लैंगटन के लूप सम्मिलित हैं। किन्तु वॉन न्यूमैन को कुछ और गहन अध्यन में रोचकता थी जो निर्माण, सार्वभौमिकता और विकास आदि में है।

इस प्रकार ध्यान दें कि सरल स्व-प्रतिकृति सीए संरचनाएं (विशेष रूप से, बायल का लूप और चाउ-रेजिया लूप) विभिन्न प्रकार के रूपों में उपस्थित नहीं हो सकती हैं और इस प्रकार बहुत सीमित विकास क्षमता है। अन्य सीए संरचनाएं जैसे कि एवोलूप कुछ सीमा तक विकास योग्य हैं किन्तु फिर भी खुले अंत वाले विकास का समर्थन नहीं करती हैं। सामान्यतः, साधारण रेप्लिकेटर में निर्माण की मशीनरी पूरी तरह से नहीं होती है, सीमा तक रेप्लिकेटर अपने आसपास के वातावरण द्वारा कॉपी की गई जानकारी है। चूंकि वॉन न्यूमैन डिजाइन तार्किक निर्माण है, और यह सिद्धांत के रूप में डिजाइन है जिसे भौतिक मशीन के रूप में त्वरित किया जा सकता है। वास्तव में, इस सार्वभौमिक निर्माणकर्ता को भौतिक सार्वभौमिक कोडांतरक के सार अनुकरण के रूप में देखा जा सकता है। प्रतिकृति में पर्यावरणीय योगदान का उद्देश्य कुछ सीमा तक खुला है, क्योंकि कच्चे माल और इसकी उपलब्धता की भिन्न -भिन्न अवधारणाएँ हैं।

वॉन न्यूमैन की महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि यह है कि मशीन का विवरण, जिसे कॉपी किया जाता है और सार्वभौमिक कॉपियर के माध्यम से भिन्न -भिन्न संतानों को दिया जाता है, और इनका दोहरा उपयोग होता है; पुनरुत्पादन में निर्माण तंत्र का सक्रिय घटक होने के नाते, और निष्क्रिय प्रतिलिपि प्रक्रिया का लक्ष्य होने के नाते। यह भाग वॉन न्यूमैन के यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर और यूनिवर्सल कॉपियर के संयोजन में विवरण (ट्यूरिंग की ट्यूरिंग मशीन के समान) द्वारा खोला जाता है। यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर और कॉपियर का संयोजन, साथ ही निर्देशों का टेप i) स्व-प्रतिकृति, और ii) ओपन-एंडेड इवोल्यूशन, या जैविक जीवों में देखी गई सम्मिश्रता की वृद्धि को अवधारणा और औपचारिक बनाता है।

यह अंतर्दृष्टि सभी अधिक उल्लेखनीय है क्योंकि यह जेम्स वाटसन और फ्रांसिस क्रिक द्वारा डीएनए अणु की संरचना की खोज से पहले और कैसे इसे भिन्न से अनुवादित और कक्ष में दोहराया जाता है - चूंकि इसने एवरी-मैकलियोड-मैककार्टी प्रयोग का पालन किया जिसने डीएनए की पहचान की जीवित जीवों में आनुवंशिक जानकारी के आणविक वाहक के रूप में। डीएनए अणु को भिन्न -भिन्न  तंत्रों द्वारा संसाधित किया जाता है जो इसके निर्देशों (अनुवाद (जीव विज्ञान)) को पूरा करते हैं और नवनिर्मित कक्षाओं के लिए डीएनए की प्रतिलिपि (डीएनए प्रतिकृति) करते हैं। ओपन-एंडेड इवोल्यूशन को प्राप्त करने की क्षमता इस तथ्य में निहित है कि, प्रकृति की तरह, आनुवंशिक टेप की प्रतिलिपि में त्रुटियां (म्यूटेशन) ऑटोमेटन के व्यवहार्य वेरिएंट को जन्म दे सकती हैं, जो तब प्राकृतिक चयन के माध्यम से विकसित हो सकती हैं। जैसा कि ब्रेनर ने कहा:

"ट्यूरिंग ने संग्रहीत-प्रोग्राम कंप्यूटर का आविष्कार किया, और वॉन न्यूमैन ने दिखाया कि विवरण सार्वभौमिक कंस्ट्रक्टर से अलग है। ये कोई सामान्य बात नहीं है. भौतिक विज्ञानी इरविन श्रोडिंगर ने अपनी 1944 की पुस्तक व्हाट इज़ लाइफ? में प्रोग्राम और कंस्ट्रक्टर को भ्रमित किया, जिसमें उन्होंने गुणसूत्रों को "वास्तुकार की योजना और निर्माता को एक शिल्प के " रूप में देखा। यह गलत है। कोड स्क्रिप्ट में केवल कार्यकारी फ़ंक्शन का विवरण होता है, फ़ंक्शन का नहीं होता है."

- सिडनी ब्रेनर

सम्मिश्रता का विकास
वॉन न्यूमैन का लक्ष्य है, जैसा कि 1949 में इलिनोइस विश्वविद्यालय में उनके व्याख्यान में निर्दिष्ट था , ऐसी मशीन डिजाइन करना जिसकी सम्मिश्रता प्राकृतिक चयन के अनुसार जैविक जीवों के समान स्वचालित रूप से विकसित हो सके। उन्होंने पूछा कि सम्मिश्रता की सीमा क्या है जिसे मशीनों को विकसित करने और सम्मिश्रता के बढ़ने में सक्षम होने के लिए पार किया जाना चाहिए। उनके "प्रमाण-सिद्धांत" डिजाइनों ने दिखाया कि यह तार्किक रूप से कैसे संभव है। सामान्य उद्देश्य प्रोग्राम करने योग्य (“सार्वभौमिक”) निर्माता को सामान्य उद्देश्य कॉपियर से भिन्न  करने वाले वास्तुकला का उपयोग करके, उन्होंने दिखाया कि कैसे मशीनों के विवरण (टेप) स्व-प्रतिकृति में उत्परिवर्तन जमा कर सकते हैं और इस प्रकार अधिक सम्मिश्र मशीनों को विकसित कर सकते हैं (नीचे दी गई छवि दर्शाती है कि ) यह संभावना। बहुत ही महत्वपूर्ण परिणाम है, क्योंकि इससे पहले, यह अनुमान लगाया जा सकता था कि ऐसी मशीनों के अस्तित्व में मूलभूत तार्किक बाधा है; इस स्थिति में जो, जैविक जीव, विकसित होते हैं और सम्मिश्रता में बढ़ते हैं, वो "मशीन" नहीं हो सकते, जैसा कि परंपरागत रूप से समझा जाता है। वॉन न्यूमैन की अंतर्दृष्टि जीवन को ट्यूरिंग मशीन के रूप में सोचने की थी, जिसे इसी तरह मेमोरी टेप से भिन्न  स्थान-निर्धारित मशीन हेड द्वारा परिभाषित किया गया है।

व्यवहार में, जब हम वॉन न्यूमैन द्वारा अपनाए गए विशेष ऑटोमेटा कार्यान्वयन पर विचार करते हैं, तो हम निष्कर्ष निकालते हैं कि यह बहुत अधिक विकासवादी गतिशीलता नहीं देता है क्योंकि मशीनें बहुत स्मूथ होती हैं - अधिकांश अस्तव्यस्तता उन्हें प्रभावी विधि से विघटित करने का कारण बनती है। इस प्रकार, यह उनके इलिनोइस व्याख्यानों में उल्लिखित वैचारिक मॉडल है यह कार्य आज अधिक रुचि का है क्योंकि यह दिखाता है कि सिद्धांत रूप में मशीन कैसे विकसित हो सकती है। यह अंतर्दृष्टि और भी अधिक उल्लेखनीय है क्योंकि मॉडल डीएनए अणु की संरचना की खोज से पहले जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है। यह भी उल्लेखनीय है कि वॉन न्यूमैन के डिजाइन का मानना ​​है कि स्व-प्रजनन में सम्मिलित नहीं होने वाले उप-प्रणालियों (के विवरण) में अधिक सम्मिश्रता के लिए उत्परिवर्तन की आवश्यकता होती है, जैसा कि अतिरिक्त ऑटोमेटन D द्वारा संकल्पित किया गया था, उन्होंने सभी कार्यों को करने के लिए माना जो सीधे प्रजनन में सम्मिलित नहीं थे। (विकसित करने की क्षमता के साथ वॉन न्यूमैन की स्व-प्रतिकृति ऑटोमेटा की प्रणाली के साथ ऊपर चित्र देखें।) वास्तव में, जैविक जीवों में आनुवंशिक कोड के केवल बहुत सामान्य बदलाव देखे गए हैं, जो वॉन न्यूमैन के तर्क से मेल खाते हैं कि सार्वभौमिक निर्माता (A) और कॉपियर (B) स्वयं विकसित नहीं होगा, ऑटोमेटन D के लिए सभी विकास (और सम्मिश्रता की वृद्धि) को छोड़कर। अपने अधूरे कार्य में, वॉन न्यूमैन ने स्व-पुनरुत्पादन मशीनों के अपने सिद्धांत से पारिस्थितिक और सामाजिक संबंधों के विकास को समझने की दिशा में, अपनी स्व-पुनरुत्पादन मशीनों के मध्य  संघर्ष और अंतःक्रियाओं पर भी संक्षेप में विचार किया गया है।



कार्यान्वयन
ऑटोमेटा सिद्धांत में, ईडन गार्डन (सेलुलर ऑटोमेटन) के अस्तित्व के कारण सार्वभौमिक निर्माता की अवधारणा गैर-तुच्छ है। किन्तु साधारण परिभाषा यह है कि सार्वभौमिक निर्माता गैर-उत्तेजित (मौन) कक्षाओं के किसी भी परिमित पैटर्न का निर्माण करने में सक्षम है।

आर्थर बर्क्स और अन्य लोगों ने वॉन न्यूमैन के कार्य का विस्तार किया, वॉन न्यूमैन के स्व-रेप्लिकेटर के डिजाइन और संचालन के बारे में अधिक स्पष्ट और पूर्ण विवरण दिया। '''जे. डब्ल्यू. थैचर''' का कार्य विशेष रूप से उल्लेखनीय है, क्योंकि उन्होंने डिजाइन को बहुत सरल बनाया। फिर भी, उनके कार्य  से स्व-प्रतिकृति प्रदर्शित करने में सक्षम आकृति के पूर्ण डिज़ाइन, कक्ष द्वारा कक्ष नहीं मिला पाया था ।

रेनाटो नोबिली और अम्बर्टो पेसावेंटो ने वॉन न्यूमैन के कार्य के लगभग पचास साल पश्चात 1995 में पहली बार पूरी तरह से प्रयुक्त स्व-पुनरुत्पादन सेलुलर ऑटोमेटन प्रकाशित किया। उन्होंने वॉन न्यूमैन के मूल वॉन न्यूमैन सेलुलर ऑटोमेटन के अतिरिक्त 32 स्थान सेलुलर ऑटोमेटन का उपयोग किया। 29-स्थान विनिर्देश, इसे सरल सिग्नल-क्रॉसिंग, स्पष्ट मेमोरी फ़ंक्शन और अधिक कॉम्पैक्ट डिज़ाइन की अनुमति देने के लिए विस्तारित किया। उन्होंने मूल 29-स्थान सी ए के अंदर सामान्य निर्माणकर्ता के कार्यान्वयन को भी प्रकाशित किया, किन्तु पूर्ण प्रतिकृति के लिए सक्षम नहीं - कॉन्फ़िगरेशन इसके टेप की प्रतिलिपि नहीं कर सकता है, न ही यह अपने वंश को ट्रिगर कर सकता है; विन्यास केवल निर्माण कर सकता है।

2004 में, डी. मांगे एट अल। स्व-प्रतिकृति के कार्यान्वयन की सूचना दी जो वॉन न्यूमैन के डिजाइनों के अनुरूप है।

2007 में, नोबिली ने 32-स्थान कार्यान्वयन प्रकाशित किया जो टेप के आकार को बहुत कम करने के लिए रन-लेंथ एन्कोडिंग का उपयोग करता है।

2008 में, विलियम आर. बकले ने दो कॉन्फ़िगरेशन प्रकाशित किए जो वॉन न्यूमैन के मूल 29-स्थान सीए के अन्दर स्व-प्रतिकृतियां हैं। बकले द्वारा प्रमाणित है कि स्व-प्रतिकृतियों के निर्माण के लिए वॉन न्यूमैन 29-स्टेट सेलुलर ऑटोमेटा के अन्दर सिग्नल को पार करना आवश्यक नहीं है। बकले यह भी बताते हैं कि विकास के उद्देश्यों के लिए, प्रत्येक प्रतिकृति को प्रतिकृति बनाने के पश्चात अपने मूल विन्यास में वापस लौटना चाहिए, जिससे से अधिक प्रतिलिपि बनाने में सक्षम (सैद्धांतिक रूप से) हो सके। जैसा कि प्रकाशित है, नोबिली-पेसावेंटो का 1995 का डिज़ाइन इस आवश्यकता को पूरा नहीं करता है किन्तु नोबिली का 2007 का डिज़ाइन इस आवश्यकता को पूरा करता है; बकले के विन्यास के बारे में भी यही सच है

2009 में, बकले ने गॉली (प्रोग्राम) के साथ वॉन न्यूमैन 29-स्थान सेलुलर ऑटोमेटा के लिए तीसरा कॉन्फ़िगरेशन प्रकाशित किया, जो आंशिक निर्माण द्वारा समग्र आत्म-प्रतिकृति या आत्म-प्रतिकृति कर सकता है। यह कॉन्फ़िगरेशन यह भी दर्शाता है कि वॉन न्यूमैन 29-स्थान सेलुलर ऑटोमेटा के अंदर स्व-प्रतिकृतियों के निर्माण के लिए सिग्नल क्रॉसिंग आवश्यक नहीं है।

2002 में सी. एल. नेहानिव, और वाई. तकादा एट अल। 2004 में, सिंक्रोनस सेलुलर ऑटोमेटन के अतिरिक्त सीधे एसिंक्रोनस सेलुलर ऑटोमेटन पर प्रयुक्त सार्वभौमिक कन्स्ट्रक्टर का प्रस्ताव दिया।

कार्यान्वयन की तुलना
जैसा कि वॉन न्यूमैन द्वारा परिभाषित किया गया है,कि सार्वभौमिक निर्माण केवल निष्क्रिय विन्यास के निर्माण पर बल देता है। जैसे, सार्वभौमिक निर्माण की अवधारणा साहित्यिक (या, इस स्थिति में, गणितीय) उपकरण से अधिक कुछ नहीं है। इसने अन्य प्रमाणों की सुविधा प्रदान की, जैसे कि अच्छी तरह से निर्मित मशीन आत्म-प्रतिकृति में संलग्न हो सकती है, जबकि सार्वभौमिक निर्माण को केवल न्यूनतम स्थिति में ग्रहण किया गया था। इस मानक के अनुसार सार्वभौमिक निर्माण तुच्छ है। इसलिए, यहां दिए गए सभी विन्यास किसी भी निष्क्रिय विन्यास का निर्माण कर सकते हैं,जबकि कोई भी गोर्मन द्वारा तैयार किए गए वास्तविक समय के क्रॉसिंग अंग का निर्माण नहीं कर सकता है।

व्यावहारिकता और कम्प्यूटेशनल निवेश
वॉन न्यूमैन की स्व-पुनरुत्पादन मशीन के सभी कार्यान्वयनों को कंप्यूटर पर चलाने के लिए अधिक संसाधनों की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, नोबिली-पेसावेंटो 32-स्थान कार्यान्वयन में ऊपर दिखाया गया है, जबकि मशीन का भाग सिर्फ 6,329 गैर-रिक्त कक्षाएं हैं (आकार 97x170 के आयत के अंदर), इसके लिए टेप की आवश्यकता होती है जो 145,315 कक्ष लंबी होती है, और दोहराने के लिए 63 बिलियन टाइमस्टेप्स लेती है। प्रति सेकंड 1,000 बार चलने वाले सिम्युलेटर को पहली प्रति बनाने में 2 साल से अधिक का समय लगेगा। 1995 में, जब पहला कार्यान्वयन प्रकाशित हुआ था, तब लेखकों ने अपनी स्वयं की मशीन को दोहराते हुए नहीं देखा था। चूँकि, 2008 में, गॉली (कार्यक्रम) में 29-स्थान और 32-स्थान नियमों का समर्थन करने के लिए हैशलाइफ एल्गोरिथ्म को बढ़ाया गया था। आधुनिक डेस्कटॉप पीसी पर, प्रतिकृति में अब केवल कुछ मिनट लगते हैं, चूंकि महत्वपूर्ण मात्रा में मेमोरी की आवश्यकता होती है।

यह भी देखें

 * कॉड सेलुलर स्वचालित
 * लैंग्टन के लूप्स
 * नोबल सेलुलर ऑटोमेटा
 * क्विन (कंप्यूटिंग), प्रोग्राम जो खुद को आउटपुट के रूप में उत्पन्न करता है
 * सांता क्लॉस मशीन
 * वायरवर्ल्ड

बाहरी संबंध

 * Golly - the Cellular Automata Simulation Accelerator Very fast implementation of state transition and support for JvN, GoL, Wolfram, and other systems.
 * von Neumann's Self-Reproducing Universal Constructor The original नोबिली-Pesavento source code, animations and Golly files of the replicators.
 * John von Neumann's 29 state Cellular Automata Implemented in OpenLaszlo by Don Hopkins
 * A Catalogue of Self-Replicating Cellular Automata. This catalogue complements the Proc. Automata 2008 volume.