वॉन न्यूमैन यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर

जॉन वॉन न्यूमैन का यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर एक सेलुलर automaton (सीए) वातावरण में एक 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 थे, जो 1966 में आर्थर बर्क्स द्वारा पूरी की गई थी। वॉन न्यूमैन की मृत्यु के बाद आर्थर डब्ल्यू बर्क्स। जबकि आम तौर पर वॉन न्यूमैन के अन्य काम के रूप में अच्छी तरह से ज्ञात नहीं है, इसे ऑटोमेटा सिद्धांत, जटिल 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 काम के साथ) पर वॉन न्यूमैन के काम 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। वॉन न्यूमैन का लक्ष्य, जैसा कि 1949 में इलिनोइस विश्वविद्यालय में उनके व्याख्यान में निर्दिष्ट है, एक ऐसी मशीन डिजाइन करना था जिसकी जटिलता प्राकृतिक चयन के तहत जैविक जीवों के समान स्वचालित रूप से विकसित हो सके। उन्होंने पूछा कि मशीनों को विकसित करने में सक्षम होने के लिए जटिलता की सीमा क्या है जिसे पार करना होगा। उनका जवाब एक अमूर्त मशीन को निर्दिष्ट करना था, जो चलने पर खुद को दोहराएगी। अपने डिजाइन में, स्व-प्रतिकृति मशीन में तीन भाग होते हैं: स्वयं का विवरण ('ब्लूप्रिंट' या प्रोग्राम), एक 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 एक यूनिवर्सल कॉपी मशीन जो किसी भी विवरण की कॉपी बना सकती है। विवरण में एन्कोडेड एक नई मशीन के निर्माण के लिए यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर का उपयोग करने के बाद, कॉपी मशीन का उपयोग उस विवरण की एक 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 एक 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 जटिलता में बढ़ने की क्षमता प्राप्त कर रही है।

अपनी मशीन को और अधिक विस्तार से परिभाषित करने के लिए, वॉन न्यूमैन ने एक सेल्यूलर आटोमेटा की अवधारणा का आविष्कार किया। वॉन न्यूमैन सेलुलर automaton में कोशिकाओं का द्वि-आयामी ग्रिड होता है, जिनमें से प्रत्येक किसी भी समय 29 राज्यों में से एक में हो सकता है। प्रत्येक टाइमस्टेप पर, प्रत्येक सेल पूर्व टाइमस्टेप पर आसपास के सेल 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 automaton में सार्वभौमिक कन्स्ट्रक्टर सेल राज्यों का एक निश्चित पैटर्न है। इसमें कोशिकाओं की एक पंक्ति होती है जो विवरण के रूप में काम करती है (ट्यूरिंग मशीन | 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' (एक अन्य ऑटोमेटन जो एक ऑपरेटिंग सिस्टम की तरह कार्य करता है) का उपयोग करने के लिए निर्देशित करता है सेल 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 एक कंटेनर में समान आकार का कंटेनर नहीं हो सकता। इसलिए, मशीन में अलग कॉपी मशीन शामिल 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। हालाँकि, 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 शामिल हैं। लेकिन वॉन न्यूमैन को कुछ और गहन में दिलचस्पी थी: निर्माण, सार्वभौमिकता और विकास।

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

वॉन न्यूमैन की महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि यह है कि मशीन का विवरण, जिसे कॉपी किया जाता है और सार्वभौमिक कॉपियर के माध्यम से अलग-अलग संतानों को दिया जाता है, का दोहरा उपयोग होता है; पुनरुत्पादन में निर्माण तंत्र का एक सक्रिय घटक होने के नाते, और एक निष्क्रिय नकल 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 खेला जाता है। एक यूनिवर्सल कंस्ट्रक्टर और कॉपियर का संयोजन, साथ ही निर्देशों का एक टेप i) स्व-प्रतिकृति, और ii) ओपन-एंडेड इवोल्यूशन, या जैविक जीवों में देखी गई जटिलता 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 अलग से अनुवादित और सेल में दोहराया जाता है - हालांकि 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 अलग-अलग तंत्रों द्वारा संसाधित किया जाता है जो इसके निर्देशों (अनुवाद (जीव विज्ञान)) को पूरा करते हैं और नवनिर्मित कोशिकाओं के लिए डीएनए की नकल (डीएनए प्रतिकृति) करते हैं। ओपन-एंडेड इवोल्यूशन को प्राप्त करने की क्षमता इस तथ्य में निहित है कि, प्रकृति की तरह, आनुवंशिक टेप की नकल 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:

"Turing invented the stored-program computer, and von Neumann showed that the description is separate from the universal constructor. This is not trivial. Physicist Erwin Schrödinger confused the program and the constructor in his 1944 book What is Life?, in which he saw chromosomes as ″architect's plan and builder's craft in one″. This is wrong. The code script contains only a description of the executive function, not the function itself."

- Sydney Brenner

जटिलता का विकास
वॉन न्यूमैन का लक्ष्य, जैसा कि 1949 में इलिनोइस विश्वविद्यालय में उनके व्याख्यान में निर्दिष्ट है, एक ऐसी मशीन डिजाइन करना था जिसकी जटिलता प्राकृतिक चयन के तहत जैविक जीवों के समान स्वचालित रूप से विकसित हो सके। उन्होंने पूछा कि जटिलता की सीमा क्या है जिसे मशीनों को विकसित करने और जटिलता में बढ़ने में सक्षम होने के लिए पार किया जाना चाहिए।  उनके "प्रमाण-सिद्धांत" डिजाइनों ने दिखाया कि यह तार्किक रूप से कैसे संभव है। एक सामान्य उद्देश्य प्रोग्राम करने योग्य (“सार्वभौमिक”) निर्माता को एक सामान्य उद्देश्य कॉपियर से अलग करने वाले आर्किटेक्चर का उपयोग करके, उन्होंने दिखाया कि कैसे मशीनों के विवरण (टेप) स्व-प्रतिकृति में उत्परिवर्तन जमा कर सकते हैं और इस प्रकार अधिक जटिल मशीनों को विकसित कर सकते हैं (नीचे दी गई छवि दर्शाती है) यह संभावना।) यह एक बहुत ही महत्वपूर्ण परिणाम है, क्योंकि इससे पहले, यह अनुमान लगाया जा सकता था कि ऐसी मशीनों के अस्तित्व में एक मूलभूत तार्किक बाधा है; इस मामले में, जैविक जीव, जो विकसित होते हैं और जटिलता में बढ़ते हैं, "मशीन" नहीं हो सकते, जैसा कि परंपरागत रूप से समझा जाता है। वॉन न्यूमैन की अंतर्दृष्टि जीवन को एक ट्यूरिंग मशीन के रूप में सोचने की थी, जिसे इसी तरह एक मेमोरी टेप से अलग राज्य-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 नाजुक होती हैं - अधिकांश गड़बड़ी उन्हें प्रभावी ढंग से विघटित करने का कारण बनती है। इस प्रकार, यह उनके इलिनोइस व्याख्यानों में उल्लिखित वैचारिक मॉडल है यह आज अधिक रुचि का है क्योंकि यह दिखाता है कि सिद्धांत रूप में एक 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 शामिल नहीं होने वाले उप-प्रणालियों (के विवरण) में अधिक जटिलता के लिए उत्परिवर्तन की आवश्यकता होती है, जैसा कि अतिरिक्त ऑटोमेटन डी द्वारा संकल्पित किया गया था, उन्होंने सभी कार्यों को करने के लिए माना जो सीधे प्रजनन में शामिल 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 मामूली बदलाव देखे गए हैं, जो वॉन न्यूमैन के तर्क से मेल खाते हैं कि सार्वभौमिक निर्माता (ए) और कॉपियर (बी) स्वयं विकसित नहीं होगा, ऑटोमेटन डी के लिए सभी विकास (और जटिलता की वृद्धि) को छोड़कर। अपने अधूरे काम 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 बीच संघर्ष और अंतःक्रियाओं पर भी संक्षेप में विचार किया।



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

आर्थर बर्क्स और अन्य लोगों ने वॉन न्यूमैन के काम 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 काम विशेष रूप से उल्लेखनीय है, क्योंकि उन्होंने डिजाइन को बहुत सरल बनाया। फिर भी, उनके काम से स्व-प्रतिकृति प्रदर्शित करने में सक्षम कॉन्फ़िगरेशन के एक पूर्ण डिज़ाइन, सेल द्वारा सेल नहीं मिला।

रेनाटो नोबिली और अम्बर्टो पेसावेंटो ने वॉन न्यूमैन के काम के लगभग पचास साल बाद 1995 में पहली बार पूरी तरह से लागू स्व-पुनरुत्पादन सेलुलर ऑटोमेटन प्रकाशित किया। उन्होंने वॉन न्यूमैन के मूल वॉन न्यूमैन सेलुलर ऑटोमेटन के बजाय 32-राज्य सेलुलर ऑटोमेटन का उपयोग किया। 29-राज्य विनिर्देश, इसे आसान सिग्नल-क्रॉसिंग, स्पष्ट मेमोरी फ़ंक्शन और अधिक कॉम्पैक्ट डिज़ाइन की अनुमति देने के लिए विस्तारित किया। उन्होंने मूल 29-राज्य CA के भीतर एक सामान्य निर्माणकर्ता के कार्यान्वयन को भी प्रकाशित किया, लेकिन पूर्ण प्रतिकृति के लिए सक्षम नहीं - कॉन्फ़िगरेशन इसके टेप को डुप्लिकेट 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। एक स्व-प्रतिकृति के कार्यान्वयन की सूचना दी जो वॉन न्यूमैन के डिजाइनों के अनुरूप है। 2007 में, नोबिली ने 32-राज्य 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 विन्यास प्रकाशित किए जो वॉन न्यूमैन के मूल 29-राज्य सीए के भीतर स्व-प्रतिकृतिक हैं। बकले का दावा है कि स्व-प्रतिकृतियों के निर्माण के लिए वॉन न्यूमैन 29-राज्य सेलुलर ऑटोमेटा के भीतर सिग्नल को पार करना आवश्यक नहीं है। बकली यह भी बताते हैं कि विकास के प्रयोजनों के लिए, प्रत्येक रेप्लिकेटर को एक से अधिक कॉपी बनाने में सक्षम (सिद्धांत रूप में) होने के लिए, प्रतिकृति बनाने के बाद अपने मूल कॉन्फ़िगरेशन पर वापस जाना चाहिए। प्रकाशित के रूप में, नोबिली-पेसावेंटो का 1995 का डिज़ाइन इस आवश्यकता को पूरा नहीं करता है लेकिन नोबिली का 2007 का डिज़ाइन करता है; बकले के विन्यास के बारे में भी यही सच है।

2009 में, बकले ने गॉली (प्रोग्राम) के साथ वॉन न्यूमैन 29-राज्य सेलुलर ऑटोमेटा के लिए एक 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-राज्य सेलुलर ऑटोमेटा के भीतर स्व-प्रतिकृतियों के निर्माण के लिए सिग्नल क्रॉसिंग आवश्यक नहीं है।

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

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

व्यावहारिकता और कम्प्यूटेशनल लागत
वॉन न्यूमैन की स्व-पुनरुत्पादन मशीन के सभी कार्यान्वयनों को कंप्यूटर पर चलाने के लिए काफी संसाधनों की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, नोबिली-पेसावेंटो 32-स्टेट कार्यान्वयन में ऊपर दिखाया गया है, जबकि मशीन का शरीर सिर्फ 6,329 गैर-रिक्त कोशिकाएं हैं (आकार 97x170 के आयत के भीतर), इसके लिए एक टेप की आवश्यकता होती है जो 145,315 सेल लंबी होती है, और 63 लेती है दोहराने के लिए बिलियन टाइमस्टेप्स। प्रति सेकंड 1,000 बार चलने वाले एक 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। हालाँकि, 2008 में, गॉली (कार्यक्रम) में 29-राज्य और 32-राज्य नियमों का समर्थन करने के लिए हैशलाइफ़ एल्गोरिथ्म को बढ़ाया गया था। एक आधुनिक डेस्कटॉप पीसी पर, प्रतिकृति में अब केवल कुछ मिनट लगते हैं, हालांकि एक महत्वपूर्ण मात्रा में मेमोरी की आवश्यकता होती है।

यह भी देखें

 * Codd's सेलुलर automaton
 * लैंग्टन के लूप्स
 * नोबल सेलुलर ऑटोमेटा
 * क्विन (कंप्यूटिंग), एक 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 Nobili-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.