اكتشف قوة لغة فورتران (FORTRAN): رائدة الحوسبة العلمية والهندسية

في عالم البرمجة، حيث تتطور اللغات بوتيرة متسارعة، هناك لغات تُخلّد اسمها في تاريخ الحوسبة. من بين هذه اللغات العريقة، تبرز لغة فورتران (FORTRAN) كواحدة من أقدم وأقوى لغات البرمجة عالية المستوى. لم تكن فورتران مجرد لغة، بل كانت ثورة. حيث فتحت الأبواب أمام العلماء والمهندسين. لإجراء حسابات معقدة. وحل مشكلات لم تكن قابلة للحل يدويًا.

دعنا نغوص في رحلة عبر الزمن. لنتعرف على قصة فورتران. كيف نشأت، وكيف تطورت لتصبح العمود الفقري للعديد من التطبيقات العلمية والهندسية الحيوية. سنتناول بنيتها، مميزاتها، تحدياتها، واستخداماتها المذهلة التي لا تزال مستمرة حتى اليوم. ليكون هذا دليلاً شاملاً. لفهم لغة فورتران. ودورها الأسطوري في تشكيل عالمنا الحديث.

الخلاصات الرئيسية

• فورتران (FORTRAN) هي أقدم لغة برمجة عالية المستوى. ولا تزال تُستخدم على نطاق واسع.
• تم تطويرها في الخمسينات بواسطة IBM لتبسيط الحسابات العلمية.
• تتميز بفعاليتها العالية في العمليات الرقمية. مما يجعلها مثالية للعلوم والهندسة.
• تدعم الحوسبة المتوازية والرياضيات المعقدة.
• تُستخدم حاليًا في نمذجة المناخ، ديناميكا الموائع، والفيزياء النووية.

نبذة عن لغة فورتران (FORTRAN): اختصار لـ "ترجمة الصيغة"

فورتران، وهو اختصار لعبارة "FORmula TRANslation" (ترجمة الصيغة)، هي لغة برمجة إجرائية (procedural) عالية المستوى. تم تطويرها بواسطة فريق بقيادة جون باكوس في IBM في منتصف الخمسينات. كان الهدف الأساسي من فورتران هو توفير طريقة أسهل وأكثر كفاءة للمهندسين والعلماء. لكتابة البرامج. دون الحاجة للتعامل مباشرة مع لغة التجميع المعقدة.

قبل فورتران، كانت الحسابات المعقدة تتم يدوياً أو بـ لغة التجميع، وهي عمليات تستغرق وقتاً طويلاً جداً وعرضة للأخطاء. جاءت فورتران لتقدم حلاً جذرياً، حيث أتاحت للمستخدمين كتابة المعادلات الرياضية المعقدة. بلغة قريبة من اللغة الطبيعية. مما أحدث ثورة في مجال الحوسبة العلمية.

تاريخ تطور لغة فورتران (FORTRAN): من البدايات المتواضعة إلى المعايير العالمية

رحلة فورتران عبر الزمن مليئة بالمحطات المهمة والتطورات التي جعلتها تستمر لعقود طويلة:

نشأة اللغة على يد جون باكوس وفريق IBM

في عام 1954، بدأ جون باكوس وفريقه في IBM العمل على مشروع فورتران. كانت الفكرة الطموحة هي تطوير لغة. يمكنها ترجمة الصيغ الرياضية. إلى كود آلة فعال. مما يقلل بشكل كبير. من وقت البرمجة. في عام 1957، تم إصدار أول مترجم لـ فورتران (FORTRAN I). والذي أثبت فعاليته الفائقة في تقليل وقت كتابة البرامج. بشكل كبير جدًا.

الإصدارات الرئيسية من FORTRAN I إلى Fortran 2018

مرت فورتران بالعديد من الإصدارات والمعايير، كل منها أضاف تحسينات وميزات جديدة:

• FORTRAN I (1957): الإصدار الأول الذي أحدث ثورة في البرمجة العلمية.
• FORTRAN II (1958): دعم الإجراءات الفرعية والبرمجة المعيارية.
• FORTRAN IV (1962): تحسينات في الميزات الأساسية والأداء.
• FORTRAN 66 (ANSI 1966): أول معيار للغة، مما زاد من انتشارها.
• FORTRAN 77 (ANSI 1977): تحسينات كبيرة في معالجة السلاسل النصية والإدخال/الإخراج.
• Fortran 90 (ISO/IEC 1539:1991): إضافة ميزات حديثة مثل البرمجة موجهة الكائنات (جزئياً)، والوحدات النمطية، والتعامل مع المصفوفات كوحدات كاملة.
• Fortran 95 (ISO/IEC 1539-1:1997): تحسينات طفيفة على Fortran 90.
• Fortran 2003 (ISO/IEC 1539-1:2004): دعم التوافقية مع لغة C، والبرمجة موجهة الكائنات بشكل أكبر، والتعامل مع الاستثناءات.
• Fortran 2008 (ISO/IEC 1539-1:2010): إضافة ميزات للبرمجة المتوازية (Coarrays).
• Fortran 2018 (ISO/IEC 1539-1:2018): تحسينات طفيفة على Fortran 2008 مع بعض الميزات الجديدة.

التغييرات الجوهرية في كل إصدار

كل إصدار من فورتران جاء بتغييرات جوهرية. أضافت مرونة وقوة للغة. من دعم الإجراءات الفرعية في البدايات. إلى ميزات البرمجة موجهة الكائنات. والحوسبة المتوازية في الإصدارات الحديثة. هذه التحديثات المستمرة. هي ما أبقت فورتران ذات صلة. في المشهد الحوسبي المتغير.

مميزات وخصائص لغة فورتران (FORTRAN): مصممة للحسابات المعقدة

تتمتع لغة فورتران بمجموعة من المميزات الفريدة. التي جعلتها الخيار الأمثل. للعديد من التطبيقات العلمية والهندسية:

المميزات الأساسية التي تميز FORTRAN

• أداء حوسبي عالي: فورتران مصممة خصيصًا لتحقيق أقصى سرعة. في العمليات الرقمية والحسابات الرياضية المعقدة. مما يجعلها مثالية للعلوم والهندسة.
• التعامل الفعال مع المصفوفات: تتميز فورتران بقدرات مدمجة قوية. للتعامل مع المصفوفات (Arrays). مما يسهل كتابة خوارزميات المعالجة العددية.
• دعم الحوسبة المتوازية: الإصدارات الحديثة من فورتران (مثل Fortran 2008). تُقدم ميزات مدمجة. لدعم الحوسبة المتوازية (Parallel Computing). مثل Coarrays. مما يتيح استغلال قوة المعالجات متعددة الأنوية.
• مكتبات رياضية وهندسية غنية: يوجد عدد هائل من المكتبات. التي تم تطويرها عبر العقود لـ فورتران. والتي توفر وظائف جاهزة. لأداء مجموعة واسعة من العمليات الرياضية. والهندسية المعقدة.
• الاستقرار والموثوقية: نظرًا لعمرها الطويل. واستخدامها في تطبيقات حرجة. تتميز فورتران باستقرارها. وموثوقيتها العالية.

مقارنة مع لغات البرمجة الأخرى (Python, C++, MATLAB)

بينما تُقدم لغات مثل بايثون سهولة في التعلم. وC++ مرونة وقوة عامة. وMATLAB بيئة ممتازة لنمذجة البيانات. تظل فورتران متفوقة في مجالها الأساسي: الحوسبة العلمية عالية الأداء.

إعداد بيئة العمل للغة فورتران (FORTRAN)

لبدء البرمجة بـ فورتران، تحتاج إلى إعداد بيئة عمل مناسبة. يتضمن ذلك تثبيت مترجم فورتران على نظام التشغيل الخاص بك.

تثبيت مترجمات فورتران (GNU Fortran - gfortran)

أشهر مترجم فورتران هو GNU Fortran (gfortran)، والذي يأتي كجزء من مجموعة مترجمات GNU (GCC). يمكن تثبيته بسهولة على معظم أنظمة التشغيل:

• ويندوز: يمكنك تثبيت gfortran كجزء من حزمة MinGW أو Cygwin.
• لينكس: عادة ما يكون gfortran متاحًا في مستودعات الحزم الافتراضية (مثل sudo apt install gfortran على دبيان/أوبونتو).
• ماك: يمكن تثبيته باستخدام مدير الحزم Homebrew (brew install gcc).

استخدام بيئات التطوير المتكاملة (IDEs) ومحررات الأكواد

على الرغم من أن العديد من مبرمجي فورتران يفضلون محررات النصوص البسيطة. واستخدام سطر الأوامر للتجميع. إلا أن هناك بعض بيئات التطوير المتكاملة (IDEs) التي تدعم فورتران:

• Visual Studio Code: مع إضافة ملحقات فورتران.
• Code::Blocks: بيئة تطوير مفتوحة المصدر تدعم فورتران.
• Intel Fortran Compiler (IFC): يأتي مع بيئة تطوير متكاملة خاصة به. وغالبًا ما يستخدم في بيئات الحوسبة عالية الأداء.

أساسيات البرمجة بلغة فورتران (FORTRAN)

لفهم فورتران، يجب البدء بأساسياتها التي تميزها عن لغات البرمجة الأخرى:

بنية الكود الأساسية وهيكل البرنامج

برنامج فورتران التقليدي يتكون من برنامج رئيسي (main program) وربما إجراءات فرعية (subroutines) ودوال (functions). مثال بسيط:

PROGRAM HELLOWORLD
  IMPLICIT NONE
  PRINT *, "مرحباً يا عالم، من فورتران!"
END PROGRAM HELLOWORLD

• PROGRAM: تحدد بداية البرنامج الرئيسي.
• IMPLICIT NONE: ممارسة جيدة لتجنب الأخطاء، تتطلب تعريف جميع المتغيرات.
• PRINT *: أمر لإخراج النص إلى الشاشة.
• END PROGRAM: تحدد نهاية البرنامج الرئيسي.

المتغيرات وأنواع البيانات

فورتران تدعم أنواع بيانات أساسية للتعامل مع الأرقام، وهي نقطة قوتها:

• INTEGER: للأعداد الصحيحة (مثل INTEGER :: x = 10).
• REAL: للأعداد العشرية ذات الدقة المفردة (مثل REAL :: y = 3.14).
• DOUBLE PRECISION: للأعداد العشرية ذات الدقة المزدوجة، مهمة جداً للحسابات العلمية الدقيقة (مثل DOUBLE PRECISION :: z = 1.23456789D0).
• COMPLEX: للأعداد المركبة.
• LOGICAL: للقيم المنطقية (.TRUE. أو .FALSE.).
• CHARACTER: للسلاسل النصية (مثل CHARACTER(LEN=10) :: name = "فورتران").

المصفوفات (Arrays) والعمليات عليها

تتميز فورتران بدعمها القوي والمباشر للمصفوفات. يمكن تعريفها واستخدامها بسهولة، وتُجرى العمليات عليها بكفاءة عالية.

INTEGER :: arr(5) = (/1, 2, 3, 4, 5/)
REAL :: matrix(2,2) = RESHAPE((/1.0, 2.0, 3.0, 4.0/), SHAPE=(/2,2/))

ويمكن إجراء عمليات على المصفوفات كاملة:

REAL :: A(3), B(3), C(3)
A = (/1.0, 2.0, 3.0/)
B = (/4.0, 5.0, 6.0/)
C = A + B   ! C ستكون (/5.0, 7.0, 9.0/)

العمليات الحسابية والمنطقية

تدعم فورتران جميع العمليات الحسابية القياسية (+, -, *, /, ** للأس). بالإضافة إلى العمليات المنطقية (.AND., .OR., .NOT.) وعمليات المقارنة (.EQ., .NE., .LT., .GT., .LE., .GE.).

هياكل التحكم (الشرطية والتكرارية)

توفر فورتران هياكل تحكم قياسية للتحكم في تدفق البرنامج:

• جمل الشرط: IF...THEN...ELSE IF...ELSE...END IF
• حلقات التكرار: DO...END DO (مع أو بدون عداد)، DO WHILE...END DO

البرمجة الفرعية في فورتران: الدوال والإجراءات الفرعية

تعتمد فورتران بشكل كبير على البرمجة الفرعية (Subprograms) لتنظيم الكود وتحقيق قابلية إعادة الاستخدام.

الدوال (Functions) والإجراءات الفرعية (Subroutines)

• الدوال (Functions): تُعيد قيمة واحدة. تُستخدم عادةً للحسابات الرياضية.
  Fortran

  FUNCTION SUM(a, b) RESULT(res)
    INTEGER, INTENT(IN) :: a, b
    INTEGER :: res
    res = a + b
  END FUNCTION SUM
  

• الإجراءات الفرعية (Subroutines): لا تُعيد قيمة مباشرة. تُستخدم لتنفيذ مجموعة من الأوامر. ويمكنها تعديل قيم المتغيرات المُمررة إليها.
  Fortran

  SUBROUTINE PRINT_MESSAGE(msg)
    CHARACTER(LEN=*), INTENT(IN) :: msg
    PRINT *, msg
  END SUBROUTINE PRINT_MESSAGE
  

الوحدات النمطية (Modules)

تُقدم فورتران 90 مفهوم الوحدات النمطية (MODULES). لتنظيم الكود. وتحديد نطاق المتغيرات. والإجراءات الفرعية. مما يسهل إدارة المشاريع الكبيرة.

MODULE MY_MATH_MOD
  IMPLICIT NONE
CONTAINS
  FUNCTION ADD_NUMS(x, y) RESULT(sum_val)
    REAL, INTENT(IN) :: x, y
    REAL :: sum_val
    sum_val = x + y
  END FUNCTION ADD_NUMS
END MODULE MY_MATH_MOD

PROGRAM MAIN_PROG
  USE MY_MATH_MOD
  IMPLICIT NONE
  REAL :: a = 5.0, b = 3.0, result
  result = ADD_NUMS(a, b)
  PRINT *, "النتيجة: ", result
END PROGRAM MAIN_PROG

مكتبات فورتران الشهيرة: قوة مجتمع العلماء والمهندسين

تكمن قوة فورتران في الكم الهائل من المكتبات العددية. التي تم تطويرها. وصيانتها عبر عقود. من قبل مجتمع العلماء والمهندسين. هذه المكتبات. تُقدم حلولاً جاهزة. لمجموعة واسعة من المشكلات.

• LAPACK (Linear Algebra PACKage): مكتبة أساسية لحل مشكلات الجبر الخطي. مثل حل الأنظمة الخطية. وحساب القيم الذاتية.
• BLAS (Basic Linear Algebra Subprograms): مجموعة من الروتينات الأساسية. لأداء عمليات الجبر الخطي. مثل ضرب المتجهات والمصفوفات.
• IMSL (International Mathematical and Statistical Libraries): مكتبة تجارية شاملة. تُقدم وظائف لمجموعة واسعة من المهام العددية. والإحصائية.
• NAG Library (Numerical Algorithms Group): مكتبة تجارية أخرى. تُقدم خوارزميات عالية الجودة. لمجموعة واسعة من تطبيقات الرياضيات. والإحصاء.
• NetCDF: مكتبة لتخزين. واسترجاع البيانات العلمية متعددة الأبعاد. وغالبًا ما تُستخدم مع فورتران. في نمذجة المناخ.

هذه المكتبات. بالإضافة إلى العديد من المكتبات المتخصصة الأخرى. تُظهر مدى عمق. وقوة النظام البيئي. لـ فورتران. في الحوسبة العلمية.

استخدامات فورتران (FORTRAN) في الصناعة: العمود الفقري للعديد من المجالات

على الرغم من كونها لغة قديمة، إلا أن فورتران لا تزال تُستخدم على نطاق واسع. في العديد من المجالات الحيوية. حيث يُعتبر الأداء العددي. والدقة. أمرًا بالغ الأهمية:

• نمذجة المناخ والتنبؤ بالطقس: تُستخدم فورتران بشكل مكثف. في نماذج المناخ العالمية. ونماذج التنبؤ بالطقس. التي تتطلب حسابات معقدة. على نطاق واسع.
• ديناميكا الموائع الحسابية (CFD): في محاكاة تدفقات الموائع. في الطائرات. والسيارات. والأنظمة الهيدروليكية. تُعد فورتران خيارًا شائعًا. بفضل كفاءتها العددية.
• الفيزياء النووية وعلوم المواد: تُستخدم فورتران في محاكاة التفاعلات النووية. ونمذجة المواد. واكتشاف خصائصها.
• الهندسة المدنية والإنشائية: في تحليل الإجهادات. والتشوهات. في الهياكل الكبيرة. مثل الجسور. والمباني.
• الفيزياء الفلكية ومحاكاة النجوم: تُستخدم فورتران في النمذجة العددية. للظواهر الكونية. وتطور النجوم. والمجرات.
• التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) والتصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM): في بعض الأجزاء الأساسية. من هذه الأنظمة. التي تتطلب حسابات هندسية دقيقة.
• البحث والتطوير العلمي: لا تزال فورتران لغة مفضلة للعديد من العلماء. في الجامعات. ومراكز البحث. بسبب فعاليتها. في ترجمة النماذج الرياضية. إلى كود قابل للتنفيذ.

هذه الاستخدامات. تُبرهن أن فورتران ليست مجرد لغة تاريخية. بل هي قوة حاسوبية. لا تزال تُساهم بشكل فعال. في التقدم العلمي. والتكنولوجي.

مستقبل لغة فورتران: استمرارية في بيئة متغيرة

على الرغم من ظهور لغات برمجة أحدث. وأكثر مرونة. في مجالات أخرى. إلا أن فورتران لا تزال تحتفظ بمكانتها. في مجال الحوسبة العلمية عالية الأداء (HPC). الأسباب الرئيسية لاستمراريتها تشمل:

• الكود الموروث (Legacy Code): يوجد كم هائل من الكود المكتوب بـ فورتران. على مدى عقود. والذي لا يمكن إعادة كتابته بسهولة. باستخدام لغات أخرى.
• الأداء الذي لا يُضاهى: لا تزال فورتران تُقدم أداءً عدديًا. فائقًا. يصعب على اللغات الأخرى مجاراته. في العديد من التطبيقات. وخاصة تلك التي تستفيد من الحوسبة المتوازية.
• مجتمع متخصص نشط: على الرغم من أنه ليس كبيرًا مثل مجتمعات لغات أخرى. إلا أن مجتمع فورتران المتخصص. نشط للغاية. ويُساهم في تطوير. وصيانة المكتبات. والمعايير الجديدة.
• الدعم من قبل بائعي أجهزة HPC: لا تزال شركات مثل Intel وNVIDIA. توفر مترجمات محسّنة لـ فورتران. مما يضمن دعمها المستقبلي. على أحدث البنى التحتية.

من المتوقع أن تستمر فورتران في لعب دور حاسم. في مجالات تخصصها. خاصة مع تزايد الحاجة إلى الحوسبة المتوازية. والنمذجة المعقدة. في البحث العلمي. والهندسة.

الخلاصة

لغة فورتران (FORTRAN) هي أكثر من مجرد لغة برمجة؛ إنها رائدة فتحت آفاقًا جديدة في الحوسبة العلمية والهندسية. منذ نشأتها في الخمسينات، تطورت فورتران لتصبح أداة لا غنى عنها. في حل المشكلات المعقدة. التي تتطلب دقة وأداءً عاليًا.

لقد استعرضنا تاريخها، مميزاتها الفريدة في التعامل مع الأرقام والمصفوفات، دعمها للحوسبة المتوازية، والمكتبات الغنية التي تدعمها. كما تناولنا تحديات استخدامها، والاستخدامات الحيوية التي لا تزال تُسهم فيها في مجالات كنمذجة المناخ والفيزياء النووية.

على الرغم من أنها قد لا تكون في دائرة الضوء مثل اللغات الحديثة، إلا أن فورتران لا تزال تحتفظ بمكانتها كعمود فقري للعديد من التطبيقات العلمية والهندسية الحاسمة. إنها شهادة على قوة التصميم الموجه نحو الأداء. ودليل على أن اللغات التي تُركز على حل مشكلات محددة. يمكن أن تستمر وتزدهر. لعقود طويلة.

الأسئلة الشائعة (FAQ) حول لغة فورتران (FORTRAN)

ما هي لغة فورتران (FORTRAN)؟

فورتران هي أقدم لغة برمجة عالية المستوى، تم تطويرها بواسطة IBM في الخمسينات، وهي مصممة خصيصًا للحسابات العلمية والهندسية عالية الأداء.

لماذا تُعتبر فورتران مهمة في الحوسبة العلمية؟

تُعتبر مهمة لأنها تتميز بفعاليتها العالية في العمليات العددية، ودعمها القوي للمصفوفات، وقدراتها على الحوسبة المتوازية، مما يجعلها مثالية للنماذج الرياضية والفيزيائية المعقدة.

هل لا تزال فورتران تُستخدم اليوم؟

نعم، لا تزال فورتران تُستخدم على نطاق واسع في مجالات متخصصة مثل نمذجة المناخ، ديناميكا الموائع، الفيزياء النووية، والبحث العلمي والهندسي.

من قام بتطوير لغة فورتران؟

قام فريق بقيادة جون باكوس في شركة IBM بتطوير لغة فورتران في منتصف الخمسينات.

ما هي أبرز مميزات فورتران؟

أبرز مميزاتها هي الأداء الحوسبي العالي، التعامل الفعال مع المصفوفات، دعم الحوسبة المتوازية (مثل Coarrays)، والمكتبات الرياضية والهندسية الغنية.

ما الفرق بين Fortran 77 و Fortran 90؟

Fortran 90 قدمت تحسينات كبيرة على Fortran 77، مثل إضافة الوحدات النمطية، ميزات للبرمجة موجهة الكائنات (جزئياً)، والقدرة على التعامل مع المصفوفات كوحدات كاملة.

هل فورتران تدعم البرمجة موجهة الكائنات (OOP)؟

الإصدارات الحديثة من فورتران (مثل Fortran 2003 و Fortran 2008) أضافت دعمًا جزئيًا ومحدودًا لمفاهيم البرمجة موجهة الكائنات.

ما هو gfortran؟

gfortran هو مترجم فورتران مجاني ومفتوح المصدر، وهو جزء من مجموعة مترجمات GNU (GCC)، ويُعد الأكثر استخدامًا لـ فورتران.

في أي نوع من التطبيقات تُستخدم DOUBLE PRECISION في فورتران؟

تُستخدم DOUBLE PRECISION في التطبيقات العلمية والهندسية التي تتطلب دقة حسابية عالية جدًا، مثل المحاكاة العددية المعقدة، لتجنب أخطاء التقريب.

ما هي بعض المكتبات الشهيرة في فورتران؟

تشمل المكتبات الشهيرة LAPACK وBLAS للجبر الخطي، وIMSL وNAG Library للمهام الرياضية والإحصائية العامة.