מדעי המחשב

מדעי המחשב עוסקים בבחינה וביישום של חישובים ומשימוש במערכות מחשב. התחום כולל תת־ענפים רבים: חלקם מתמקדים בשימושים ספציפיים (כגון גרפיקה או מהדרים, תוכנות שמתרגמות קוד לשפת מכונה), אחרים חוקרים תכונות כלליות של בעיות חישוביות (למשל סיבוכיות, כמה משאבים דרושים לפתרון) וענפים שעוסקים ביישום של אלגוריתמים (אלגוריתם = סדרת הוראות ברורה לפתרון בעיה). שפות תכנות וכלים לפיתוח תוכנה הם חלק חשוב מהתחום.

מדעי המחשב כוללים גם בעיות פתוחות, כמו שאלת P=NP, השאלה האם כל בעיה שניתן לבדוק מהר אפשר גם לפתור מהר. שאלות כאלה מעוררות מחקר ותוצאותיהן משפיעות על מדע ותעשייה.

חוג מדעי המחשב הראשון נפתח ב-1962 באוניברסיטת פרדו בארצות הברית.

נושאים מרכזיים הם תיאוריה של חישוב, פיתוח אלגוריתמים, שפות תכנות, מערכות, רשתות, בינה מלאכותית ועוד.

התחום נוצר כמקצוע עצמאי באמצע המאה ה-20, אבל שורשיו עתיקים. כבר בעת העתיקה היו רעיונות וכלים לחישוב. בתקופות מודרניות אנשי מדע מתמטיקה ופיזיקה פיתחו מכונות חישוב מכניות. צ'ארלס בבג' תכנן מחשב מכני שפועל לפי תוכנית, ולכן נחשב לממציא רעיון המחשב. עדה לאבלייס כתבה תוכנה למכונה שלו ונחשבת למתכנתת הראשונה. שפה מודרנית נקראת על שמה, Ada.

בחצי הראשון של המאה ה-20 צבאות עזרו בקידום התחום. דוגמה חשובה היא מכונת ההצפנה הגרמנית אניגמה במלחמת העולם השנייה. פיצוחה על ידי בעלות הברית, עם דמות מרכזית כמו אלן טיורינג, קידם שימושים מעשיים של רעיונות תיאורטיים. טיורינג נחשב לאבי מדעי המחשב המודרניים. פרס טיורינג, שניתן על ידי האגודה ACM, הוא הפרס היוקרתי בתחום.

במהלך שנות ה-30 הוגדר מודל מתמטי של מחשב שנקרא מכונת טיורינג (מודל שמדמה את הרעיון של מחשב). הוצעה גם תזת צ'רץ'-טיורינג, שלפיה כל מודל חישובי סביר שקול למכונת טיורינג. תזה זו משמשת הנחת עבודה במחקר.

ב-1942 יצר קונראד צוזה את Z3, מחשב שנחשב אוניברסלי כי אפשר להפעילו עם תוכנה שונה. באמצע שנות ה-40 נבנה ENIAC, המחשב האלקטרוני הראשון שניתן לתכנתו. המצאת הטרנזיסטור ב-1947 הובילה להפצת מחשבים אלקטרוניים.

בין 1950 ל-1960 גדל המחקר בשפות פורמליות ובמודלים כמו אוטומט סופי (מודל חישובי פשוט שמתאים לניתוח קלט קבוע). עבודות של בלשנים כמו נועם חומסקי עזרו להגדרת מבני שפה שמתאימים למודלים אלה.

בשנות ה-60 החל המחקר בסיבוכיות, בחינת מהירות החישוב. הוגדרו מחלקות קושי שונות והופיעו בעיות NP קשות. חוקרים מרכזיים במחקר זה כוללים את סטפן קוק וריצ'רד קארפ. דונלד קנות' פרסם את הספרים The Art of Computer Programming, שאספו ידע על אלגוריתמים.

המשך המחקר בשנות ה-70 ו-80 נגע גם לגישות שונות לפתרון בעיות כמו גודל מעגלים לוגיים, מבני נתונים, אלגוריתמים במיון ואחזור נתונים, ותוכניות מקבילות.

מאז שנות ה-80 גדל מספר המחשבים והשימוש בהם עד שהפכו נפוצים. נולדו תת־תחומים כמו חישוב מקבילי, קריפטוגרפיה וחישוב קוונטי. הופיעו מחשוב ענן, מחשוב נייד וטלפונים חכמים. אלה הגבירו את הביקוש למפתחים ולשפות תכנות נוחות.

התחום נלמד בכל האוניברסיטאות בישראל. מסלול הלימודים הראשון בישראל הוקם במכון ויצמן ב-1969 ביוזמת פרופ' שמעון אבן. ישראלית זכו במספר פרסים חשובים: שישה מדעני מחשב ישראלים קיבלו את פרס טיורינג. ישראל מדורגת גבוה יחסית בדירוגים בינלאומיים של מדעי המחשב.

מדעי המחשב חוקרים איך מחשבים פועלים ומשתמשים בהם.

הנושאים כוללים תכנות, אלגוריתמים (הוראות צעד־צעד לפתרון), ורשתות.

הרעיון של מחשב קיים כבר מזמן. צ'ארלס בבג' תכנן מחשב מכני. עדה לאבלייס כתבה תוכנה למחשב שלו.

במלחמות הפיתוח האיץ את המחקר. דוגמה היא אניגמה, מכונת הצפנה גרמנית. אלן טיורינג עזר לפצח אותה. טיורינג נחשב לדמות מרכזית במדע המחשב.

נוצר מודל שנקרא מכונת טיורינג (דגם מתמטי של מחשב). חוקרים משתמשים במודל הזה כדי להבין מה מחשב יכול לעשות.

ב-1942 נבנה Z3 על ידי קונראד צוזה. לאחר מכן נבנה ENIAC, מחשב אלקטרוני גדול. המצאת הטרנזיסטור עזרה לגרום למחשבים להיות קטנים יותר.

חוקרים שואלים עד כמה מהר אפשר לפתור בעיות. יש שאלות פתוחות חשובות, כמו P=NP (שאלה על מהירות פתרון בעיות).

מחשבים הפכו נפוצים. הגיחו טלפונים חכמים, מחשוב ענן ועוד. זה יצר המון עבודות ותוכנות.

הלימודים התחילו כאן בשנות ה-60. המסלול הראשון נפתח במכון ויצמן ב-1969. מספר ישראלים קיבלו פרסים חשובים בתחום.