טיורינג על הזיכרון של מחשבים ועל המוח האנושי

ב-20 בפברואר 1947 נשא אלן טיורינג הרצאה לפני החברה המתמטית של לונדון על המחשב ACE שעוצב ב-NPL – המעבדה הלאומית הבריטית לפיזיקה ולמדידות, שמשכנה היה ברובע טדינגטון בלונדון. בהרצאה זו הוא הקדיש זמן רב לנושא הזיכרון הדיגיטלי והציג ניתוח מרתק של בעיית מימושו: כיצד בונים מערכת הזוכרת תווים מבלי לטשטש את ההבדלים ביניהם? כמו שאר מאמריו, גם הרצאה זו נתקלה בקיר האטום של מהנדסי המחשבים בני המאה ה-20, שהתעלמו מעבודתו של טיורינג.

בהרצאתו הציג טיורינג השוואה של תכונות של מכונות חישוב אנאלוגיות כנגד תכונות של המכונות הדיגיטליות והשוואה של מנגנוני זיכרון סדרתיים (כמו המגילה או סרט המשבצות במכונת טיורינג) כנגד מנגנוני זיכרון עם נגישות ישירה (או "אקראית", כמו ספרים כרוכים או מנגנוני זיכרון חדישים יותר), וכל זה מנקודת מבט מעשית מאוד. בהרצאה הוא ציין כמה עובדות שהיו מוכרות למהנדסים בני זמנו, כמו אלו הנוגעות לבעיית המהירות של נגישות הנתונים במנגנוני חישוב אלקטרוניים. ראשית, הוא טען שיחידת זיכרון אלקטרונית עבור מחשב דיגיטלי חייבת לאפשר קליטה, רישום או מחיקה של נתונים תוויים וגם את קריאתם (פלט). כלומר יחידה שכזו פועלת כמערכת מוגדרת של קלט-עיבוד-פלט, כאשר בתנאים מסוימים הקלט גורם לשינוי תכולת היחידה ובתנאים אחרים איננו משפיע עליה. שינוי תכולת הזיכרון הוא העיבוד שיחידה זו מבצעת. ברגע שתכולת הזיכרון השתנתה, היא חייבת להישמר ללא שינוי, להוציא מחיקת התכולה כפעולה מגמתית של מחיקת הזיכרון. כדי שיחידה שכזו תזכור במדויק ולא תשכח את תכולתה היא חייבת להיות משובצת בתוך לולאה שתבטיח את שמירת התכולה שלה אף שהקלט החיצוני שלה יכול להשתנות. למשל נניח שבשלב מסוים של חישוב אנו רוצים שהמערכת תזכור שאירוע מסוים התרחש אי פעם. הנתון על עצם התרחשות האירוע יירשם בזיכרון ורישום זה יישמר בזיכרון עד אשר אותו שלב יסתיים. לשם כך יש צורך בלולאה מן הפלט אל הקלט כדי שהאירוע ייחשב כאילו התבצע בזמן הווה. הלולאה הנדרשת היא האמצעי להעברה חוזרת של הנתונים הרשומים ביחידת הזיכרון מן הפלט שלה אל הקלט שלה. ליחידה כזו, ללולאה מינימלית כזו, מהנדסי המערכות האלקטרוניות קראו "דלגלג" (באנגלית: "flipflop"). מנגנוני הזיכרון האקראי במחשבים תמיד מורכבים מיחידות כאלה. אבל כאן התגלה צורך במנגנון מיוחד.

עליי להעיר שסטיבן קלייני חקר רשתות נוירונים בשנות ה-60 כדי לאפיין את טווח החישובים המתבצעים על ידי רשת נוירונים, והוא הגדיר זיכרון פנימי של רשת נוירונים דיגיטלית באמצעות לולאות קלט-פלט-קלט, בדיוק כפי שטיורינג הציע. חוקרי המוח שמשערים שאת פעולת המוח ניתן לאפיין באמצעות רשתות כאלה, לא קראו את הרצאת טיורינג (משנת 1947) ולא את מחקרו של קלייני (משנת 1965).

בהרצאה זו התגלה טיורינג שוב בגאוניותו. כדי שהנתונים לא יימחקו ולא יטושטשו, הוא מוכיח, מתמטית, שהמעבר החוזר ונשנה שלהם דרך יחידת הזיכרון חייב להיות נשלט על ידי שעון עם זמן בדיד של פעימות נבדלות. אצטט מדבריו של טיורינג: "נוכל לומר שהשעון מאפשר לנו להנהיג בדידיוּת בתוך הזמן, כך שזמן עבור משימות מסוימות יכול להיחשב כשרשרת של רגעים במקום זרם רציף. מכונה דיגיטלית חייבת באופן מהותי לעסוק בעצמים בדידים, ובמקרה של ACE זה מתאפשר על ידי שימוש בשעון. כל שאר מכונות החישוב הדיגיטליות, להוציא מכונות אנושיות ומוחות אחרים שאני יודע עליהם, עושות כך. אפשר לחשוב על דרכים להימנע מכך אבל הן מסורבלות מאוד. עליי לציין שהשימוש בשעון בתוך ACE איננו מוגבל רק לתהליך המחזור של הזיכרון, אלא יש לו שימוש כמעט בכל חלק (של המחשב)."

בהרצאה זו טיורינג תיאר את המחשב "שלו", את ACE, באמצעות תכונות כלליות של מכונות חישוב שאותן הגדיר כעשר שנים לפני הרצאתו, המכונות הנקראות היום "מכונות טיורינג". אם אינכם יודעים מה הן מכונות טיורינג, אציין שהן מערכות מצבים סופיות המוגדרות כפועלות בזמן בדיד, שהוא כאמור שרשרת בלתי מוגבלת של רגעים נבדלים. מכונות טיורינג מורכבות ממנגנון בעל מספר סופי של מצבים שקורא וכותב תווים על סרט משבצות בלתי מוגבל באורכו. הסרט אמנם משמש כזיכרון ("סדרתי"), אבל בגלל איטיות הנגישות אל כלל הנתונים הרשומים בסרט, נוסף למערכת גם מנגנון זיכרון ("אקראי") שקובע בכל רגע, לפי מצב המנגנון באותו הרגע, את תגובת המנגנון על מה שנקרא באותו הרגע מן הסרט. זיכרון זה חייב להיות נגיש בזמן מזערי. עיקר ההתקדמות בפיתוח של חומרת המחשבים, מהחומרה של המחשבים משנות ה-40 ועד לחומרה של ימינו, הוא בפיתוח יחידות זיכרון מהירות יותר ויותר. כל תלמיד של מדעי המחשב שלמד קורס "אוטומטים ושפות פורמליות" יודע כי ללא זיכרון שכזה המחשב יוכל לבצע באופן מעשי רק פעולות חישוב טריוויאליות יחסית למכונות טיורינג.

אם כן טיורינג למעשה טען בשנות ה-40 שהמוח האנושי אינו פועל כמו מחשב, ושהמוח האנושי זוכר בדרך שונה לגמרי מזו שבה זוכר המחשב את מצבי פעולתו. עד לימיו של טיורינג לא נמצא במוח האנושי שום חלק שפועל כמו שעון. בכל זאת, מעצבי מדעי הקוגניציה הסתמכו, במישרין או בעקיפין, על ההנחה שהשכל כתופעה סובייקטיבית לא קיים ושהמוח פועל כמו מחשב או כמו יחידת עיבוד מרכזית דיגיטלית.

בספרייה הווירטואלית של המרכז לטכנולוגיה חינוכית (מט"ח) תוכלו למצוא מאמר מרתק: "תקתוק החיים" מאת פרופ' שלמה וגנר מאוניברסיטת חיפה, שפורסם בשנת 1997, ובו סקירה מקיפה של מחקרים רבים שהתמקדו בגילוי מערכות ביולוגיות בגוף בני אדם ובעלי חיים אחרים שניתן לייחס להם תפקוד של שעון. אבל, אנא שימו לב, השאלות שהחוקרים ביקשו להשיב עליהן היו קשורות בתופעת מחזור השינה היממתי של היצור החי. אף אחד מהם לא עשה מה שטיורינג עשה. אף אחד מהם לא קישר את השעונים הביולוגיים עם אפשרות מעשית של תפקוד הזיכרון האקראי (עם נגישות ישירה) במנגנון זיכרון מוחי מסוג כלשהו.

כנראה, מסקנתו של טיורינג עדיין שרירה וקיימת. בניגוד לאמונה המקובלת, כל עוד לא יתגלה מנגנון במוח הפועל כמו שעון ששולט בפיענוח רישומי הזיכרונות שלנו, אין לנו שום עדות אמפירית לכך שהמוח האנושי פועל כמו המחשב. אין לנו עדיין הסבר המניח את הדעת כיצד פועל הזיכרון שלנו. גם אם טיורינג שגה בהוכחתו בדבר הנחיצות בשעון כדי להפעיל זיכרון יעיל, עובדה היא שעד היום, בכל יחידת עיבוד נתונים מורכב שעון שמנהל את מכלול צעדיה ואת הזיכרון שלה. במוח לא התגלה עדיין שעון כזה. לכן עדיין אין תוקף להשערות שהמוח פועל כמו מחשב ושהמחשבות שלנו הן חישובים או ניתנות לחישוב.