👩🏻‍💻 🤵 🛀🏿 क्यों भौतिक विज्ञानी अभी भी फोरट्रान का उपयोग करते हैं 🎫 🚼 👩🏿‍🎓

मुझे पता नहीं है कि प्रोग्रामिंग भाषा 2000 में कैसी दिखेगी, लेकिन मुझे पता है कि इसे FORTRAN कहा जाएगा।
- चार्ल्स एंथनी रिचर्ड होयर, लगभग। 1982

उद्योग में, फोरट्रान का उपयोग शायद ही कभी किया जाता है - लोकप्रिय भाषाओं की सूची में से एक में, यह 28 वें स्थान पर था । लेकिन फ़ोर्ट्रान अभी भी भौतिक प्रणालियों के बड़े पैमाने पर सिमुलेशन के लिए मुख्य भाषा है - अर्थात, सितारों और आकाशगंगाओं के ज्योतिषीय मॉडलिंग (जैसे फ़्लैश ), बड़े पैमाने पर आणविक गतिशीलता, इलेक्ट्रॉनिक संरचना गिनती कोड ( SIITA ), जलवायु मॉडल, आदि के लिए। उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग के क्षेत्र में, एक उपसमूह बड़े पैमाने पर संख्यात्मक सिमुलेशन हैं, आज केवल दो भाषाओं का उपयोग किया जाता है - सी / सी ++ और "आधुनिक फोरट्रान" (फोरट्रान 90/95/03/08)। लोकप्रिय ओपन एमपीआई लाइब्रेरीइन दो भाषाओं के लिए कोड समानांतरकरण उपकरण विकसित किए गए हैं। सामान्य तौर पर, यदि आपको कई प्रोसेसर पर चलने वाले तेज कोड की आवश्यकता है, तो आपके पास केवल दो विकल्प हैं। आधुनिक फोरट्रान में " मोटे " के रूप में एक ऐसी विशेषता है , जो समानांतर प्रोग्रामिंग में भाषा के साथ सीधे काम करने की अनुमति देती है। मोटेरे फोरट्रान 95 विस्तार में दिखाई दिए और बाद में फोर्ट्रान 2008 में शामिल किए गए।

भौतिकविदों द्वारा फोरट्रान का सक्रिय उपयोग अक्सर कंप्यूटर वैज्ञानिकों और इस क्षेत्र से जुड़े अन्य लोगों को भ्रमित करता है जो सोचते हैं कि फोरट्रान एक ऐतिहासिक अभिरुचि है।

मैं यह बताना चाहूंगा कि फोरट्रान अभी भी उपयोगी क्यों है। मैं छात्रों को फ़ोर्ट्रान पढ़ाने के लिए भौतिकी का अध्ययन करने के लिए प्रोत्साहित नहीं करता - क्योंकि उनमें से अधिकांश शोध करेंगे, वे बेहतर अध्ययन C / C ++ (या Matlab / Octave / Python पर रोकते हैं) करते हैं। मैं यह बताना चाहता हूं कि फोर्ट्रान का उपयोग अभी भी क्यों किया जाता है, और यह साबित करने के लिए कि यह केवल इसलिए नहीं है क्योंकि भौतिक विज्ञानी "समय के पीछे" हैं (हालांकि कभी-कभी ऐसा होता है - पिछले साल मैंने एक भौतिकी छात्र को कोड के साथ काम करते देखा था। फोरट्रान 77, जबकि न तो उन्होंने और न ही उनके प्रबंधक ने फोर्ट्रान 90 के बारे में कुछ भी सुना)। कंप्यूटर वैज्ञानिकों को संख्यात्मक कंप्यूटिंग में फोरट्रान के प्रभुत्व को एक चुनौती के रूप में देखना चाहिए।

इससे पहले कि मैं इस विषय पर चर्चा करूं, मैं कहानी पर चर्चा करना चाहता हूं, क्योंकि जब लोग "फोरट्रान" शब्द सुनते हैं, तो वे तुरंत पंच कार्ड और कोडित लाइनों के साथ कोड की कल्पना करते हैं। पहला फोरट्रान विनिर्देश 1954 में लिखा गया था। प्रारंभिक फोरट्रान (तब इसका नाम बड़े अक्षरों में लिखा गया था, फोरट्रान), आधुनिक मानकों से, एक नारकीय भाषा थी, लेकिन यह पिछले कोडांतरक प्रोग्रामिंग से एक अविश्वसनीय कदम आगे था। फोरट्रान को अक्सर पंच कार्ड के साथ प्रोग्राम किया जाता था, क्योंकि स्टोनी ब्रुक यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर मरियम फॉरमैन बिना खुशी के याद करते हैं। फोरट्रान के कई संस्करण थे, जिनमें से सबसे प्रसिद्ध 66, 77, 90, 95, 03 और 08 मानक हैं।

अक्सर यह कहा जाता है कि फ़ोर्ट्रान अभी भी अपनी गति के कारण उपयोग किया जाता है। लेकिन क्या वह सबसे तेज है? साइट benchmarksgame.alioth.debian.orgवहाँ सी और फोरट्रान की तुलनाकई भाषाओं में कई परीक्षणों में। ज्यादातर मामलों में, फोरट्रान और सी / सी ++ सबसे तेज हैं। पसंदीदा पायथन प्रोग्रामर अक्सर 100 बार गति में पिछड़ जाते हैं, लेकिन यह व्याख्या किए गए कोड के लिए चीजों के क्रम में है। अजगर जटिल संख्यात्मक गणनाओं के लिए उपयुक्त नहीं है, लेकिन दूसरे के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है। दिलचस्प बात यह है कि C / C ++ फोरट्रान को सभी लेकिन दो परीक्षणों में बेहतर बनाता है, हालांकि सामान्य तौर पर वे परिणामों में बहुत कम होते हैं। जिन परीक्षणों में फोरट्रान जीतता है, उनमें से अधिकांश "शारीरिक" होते हैं, जो एन निकायों की प्रणाली और स्पेक्ट्रम की गणना का अनुकरण हैं। परिणाम प्रोसेसर कोर की संख्या पर निर्भर करते हैं, उदाहरण के लिए, फोरट्रान क्वाड कोर पर C / C ++ से पीछे है। परीक्षण, जिसमें फोरट्रान सी / सी ++ से बहुत पीछे है, ज्यादातर समय डेटा पढ़ता और लिखता है, और इस संबंध में फोरट्रान की सुस्ती का पता चलता है।

इसलिए C / C ++, फोरट्रान की तरह तेज है, और कभी-कभी थोड़ा तेज है। हम में रुचि रखते हैं, "भौतिकी के प्रोफेसर अपने छात्रों को सी / सी + + के बजाय फोरट्रान का उपयोग करने की सलाह क्यों देते हैं?"

फोरट्रान का विरासत कोड है

फोरट्रान के लंबे इतिहास के लिए धन्यवाद, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि भौतिकी कोड के पहाड़ इस पर लिखे गए हैं। भौतिक विज्ञानी प्रोग्रामिंग समय को कम करने की कोशिश कर रहे हैं, इसलिए यदि उन्हें पहले वाला कोड मिल जाए, तो वे इसका उपयोग करेंगे। भले ही पुराना कोड अप्राप्य है, खराब दस्तावेज है और सबसे कुशल नहीं है, फिर भी पुराने सिद्ध कोड का उपयोग करने की संभावना है कि एक नया लिखना है। भौतिकविदों का कार्य कोड लिखना नहीं है, वे वास्तविकता की प्रकृति को समझने की कोशिश कर रहे हैं। प्रोफेसरों के हाथ में विरासत में मिला कोड हमेशा होता है (अक्सर उन्होंने दशकों पहले यह कोड लिखा था), और वे इसे अपने छात्रों को सौंप देते हैं। यह उन्हें समय बचाता है और त्रुटि सुधार प्रक्रिया से अनिश्चितताओं को दूर करता है।

भौतिकी के छात्र सी / सी ++ से फोरट्रान आसान सीखते हैं

मुझे लगता है कि फोरट्रान C / C ++ से सीखना आसान है। फोरट्रान 90 और सी बहुत समान हैं, लेकिन फोरट्रान लिखना आसान है। C एक अपेक्षाकृत आदिम भाषा है, इसलिए C / C ++ चुनने वाले भौतिकविद् ऑब्जेक्ट-ओरिएंटेड प्रोग्रामिंग में लगे हुए हैं। ओओपी उपयोगी हो सकता है, विशेष रूप से बड़ी सॉफ्टवेयर परियोजनाओं में, लेकिन इसका अध्ययन अधिक लंबा है। आपको कक्षाओं और वंशानुक्रम जैसे सार का अध्ययन करने की आवश्यकता है। ओओआर प्रतिमान फोरट्रान द्वारा प्रयुक्त प्रक्रियात्मक से बहुत अलग है। फोरट्रान एक सरल प्रक्रियात्मक प्रतिमान पर आधारित है जो कंप्यूटर के हुड के नीचे होता है। जब आप गति बढ़ाने के लिए कोड को अनुकूलित / वेक्टर करते हैं, तो प्रक्रियात्मक प्रतिमान के साथ काम करना आसान होता है। भौतिक विज्ञानी आमतौर पर समझते हैं कि कंप्यूटर कैसे काम करते हैं, और भौतिक प्रक्रियाओं के संदर्भ में सोचते हैं, उदाहरण के लिए, डिस्क से डेटा को रैम में स्थानांतरित करना, और रैम से प्रोसेसर कैश तक।वे गणितज्ञों से अलग हैं जो अमूर्त कार्यों और तर्क के संदर्भ में सोचना पसंद करते हैं। साथ ही, यह सोच वस्तु-उन्मुख से अलग है। प्रक्रियात्मक की तुलना में OOP कोड का अनुकूलन मेरे दृष्टिकोण से अधिक जटिल है। भौतिकविदों द्वारा पसंद किए गए डेटा संरचनाओं की तुलना में ऑब्जेक्ट बहुत भारी संरचनाएं हैं: सरणियाँ।

लाइटनेस वन: फोरट्रान एरे काम

Arrays, या, जैसा कि भौतिक विज्ञानी उन्हें कहते हैं, matrices, सभी भौतिक कंप्यूटिंग के दिल में हैं। फोरलेन 90+ में, आप उनके साथ काम करने के कई अवसर पा सकते हैं, एपीएल और मैटलैब / ऑक्टेव के समान । सरणी को कॉपी किया जा सकता है, एक स्केलर से गुणा किया जा सकता है, आपस में कई गुना सहज तरीके से गुणा किया जा सकता है:

A = B
A = 3.24*B
C = A*B
B = exp(A)
norm = sqrt(sum(A**2))

यहाँ, ए, बी, सी कुछ आयाम के सरणियाँ हैं (कहते हैं, 10x10x10)। सी = ए * बी हमें मेट्रिसेस का एलीमाइज गुणा देता है अगर ए और बी एक ही आकार के हों। मैट्रिक्स गुणन के लिए, C = matmul (A, B) का उपयोग किया जाता है। लगभग सभी फोरट्रान आंतरिक फ़ंक्शंस (सिन (), ऍक्स (), एब्स (), फ़्लोर (), आदि) एरे को तर्क के रूप में लेते हैं, जो सरल और स्वच्छ कोड की ओर जाता है। C / C ++ में समान कोड नहीं है। एक मूल C / C ++ कार्यान्वयन में, किसी सरणी को कॉपी करने के लिए सभी तत्वों में लूप के लिए चलने या लाइब्रेरी फ़ंक्शन को कॉल करने की आवश्यकता होती है। यदि आप C में गलत लाइब्रेरी फ़ंक्शन का एक सरणी फ़ीड करते हैं, तो एक त्रुटि उत्पन्न होगी। आंतरिक कार्यों के बजाय पुस्तकालयों का उपयोग करने की आवश्यकता का मतलब है कि परिणामस्वरूप कोड साफ और पोर्टेबल नहीं होगा, या सीखना आसान होगा।

फोरट्रान में, सरणी के तत्वों को एक्सेस करना सरल सिंटैक्स ए [x, y, z] के माध्यम से काम करता है, जब C / C ++ में आपको A [x] [y] [z] लिखना होता है। सरणियों के तत्व 1 से शुरू होते हैं, जो भौतिकविदों की मैट्रिसेस की समझ से मेल खाते हैं, और C / C ++ सरणियों में, संख्या शून्य से शुरू होती है। फोरट्रान में सरणियों के साथ काम करने के लिए यहां कुछ और विशेषताएं हैं।

A = (/ i , i = 1,100 /)
B = A(1:100:10)
C(10:) = B

सबसे पहले, वेक्टर ए एक निहित डू लूप के माध्यम से बनाया गया है, जिसे एक सरणी निर्माता के रूप में भी जाना जाता है। फिर एक वेक्टर बी बनाया जाता है, जिसमें ए के प्रत्येक 10 वें तत्व से मिलकर बनता है, 10. के एक चरण का उपयोग करके और अंत में, सरणी बी को सरणी सी में कॉपी किया जाता है, 10 वें तत्व से शुरू होता है। फोरट्रान शून्य या नकारात्मक सूचकांकों के साथ ऐरे को घोषित करने का समर्थन करता है:

double precision, dimension(-1:10) :: myArray

पहले एक नकारात्मक सूचकांक मूर्खतापूर्ण दिखता है, लेकिन मैंने उनकी उपयोगिता के बारे में सुना - उदाहरण के लिए, कल्पना करें कि यह किसी भी स्पष्टीकरण को पोस्ट करने के लिए एक अतिरिक्त क्षेत्र है। फोरट्रान वेक्टर इंडेक्स का भी समर्थन करता है । उदाहरण के लिए, आप 1,5 और 7 एलीमेंट्स को ए से डाइमेंशन में ट्रांसफर कर सकते हैं ए आयाम 1 एन ए 1 के ए बी आयाम 3 एक्स 1 के ए से:

subscripts = (/ 1, 5, 7 /)
B = A(subscripts)

फोरट्रान सभी आंतरिक कार्यों में सरणी मास्क का समर्थन करता है। उदाहरण के लिए, यदि हमें शून्य से अधिक सभी मैट्रिक्स तत्वों के लघुगणक की गणना करने की आवश्यकता है, तो हम उपयोग करते हैं:

log_of_A = log(A, mask= A .gt. 0)

या हम एक पंक्ति में सरणी के सभी नकारात्मक तत्वों को शून्य कर सकते हैं:

where(my_array .lt. 0.0) my_array = 0.0

फोरट्रान गतिशील रूप से आवंटित और मुफ्त सरणियों को आसान बनाता है। उदाहरण के लिए, द्वि-आयामी सरणी रखने के लिए:

real, dimension(:,:), allocatable :: name_of_array
allocate(name_of_array(xdim, ydim))

C / C ++ में, इसके लिए निम्न प्रविष्टि की आवश्यकता होती है :

int **array;
array = malloc(nrows * sizeof(double *));
 
for(i = 0; i &lt; nrows; i++){
     array[i] = malloc(ncolumns * sizeof(double));
}

फोरट्रान में एक सरणी मुक्त करने के लिए

deallocate(name_of_array)

इसके लिए C / C ++ में

for(i = 0; i &lt; nrows; i++){
    free(array[i]);
}
free(array);

:

C / C ++ जैसी भाषाओं में, संदर्भ द्वारा पारित किए गए सरणियों के अपवाद के साथ, सभी चर मूल्य से पारित किए जाते हैं। लेकिन कई मामलों में, एक सरणी को मान से गुजारना अधिक समझ में आता है। उदाहरण के लिए, डेटा को अलग-अलग समय अवधि में 100 अणुओं के पदों से मिलकर बनाते हैं। हमें एक अणु के आंदोलन का विश्लेषण करने की आवश्यकता है। हम इस अणु में परमाणुओं के निर्देशांक के अनुरूप सरणी (सब्रे) का एक टुकड़ा लेते हैं और इसे फ़ंक्शन में पास करते हैं। इसमें, हम प्रेषित सबर्रे के एक जटिल विश्लेषण से निपटेंगे। यदि हम इसे संदर्भ द्वारा पारित करते हैं, तो हस्तांतरित डेटा एक पंक्ति में मेमोरी में स्थित नहीं होगा। मेमोरी एक्सेस की प्रकृति के कारण, ऐसी सरणी के साथ काम करना धीमा होगा। यदि हम इसे मूल्य से पास करते हैं, तो हम मेमोरी में एक पंक्ति में व्यवस्थित नई सरणी बनाएंगे। भौतिकविदों की खुशी के लिए, कंपाइलर मेमोरी को अनुकूलित करने के सभी गंदे काम करता है।

फोरट्रान में, चर आमतौर पर संदर्भ द्वारा पारित किए जाते हैं, मूल्य से नहीं। हुड के तहत, फोरट्रान संकलक स्वचालित रूप से वृद्धि की दक्षता के लिए उनके संचरण का अनुकूलन करता है। स्मृति के उपयोग के अनुकूलन के क्षेत्र में प्रोफेसर के दृष्टिकोण से, संकलक को छात्र से अधिक भरोसा किया जाना चाहिए! नतीजतन, भौतिकविदों शायद ही कभी, संकेत का उपयोग हालांकि फोरट्रान -90 + उनके पास ।

फोरट्रान और सी के बीच मतभेदों के कुछ और उदाहरण

समस्या निवारण और अनुकूलन के दौरान फोरट्रान के पास संकलक के प्रबंधन के लिए कई विकल्प हैं। कोड में त्रुटियां संकलन चरण में पकड़ी जा सकती हैं, और निष्पादन के दौरान नहीं। उदाहरण के लिए, किसी भी चर को एक पैरामीटर के रूप में घोषित किया जा सकता है, अर्थात, एक स्थिर।

double precision, parameter :: hbar = 6.63e-34

यदि कोड में पैरामीटर बदलता है, तो कंपाइलर एक त्रुटि देता है। C में इसे const कहा जाता है

double const hbar = 6.63e-34

समस्या यह है कि कास्ट रियल सरल रियल से अलग है। यदि कोई फ़ंक्शन वास्तविक स्वीकार करता है, तो वह वास्तविक है, तो यह एक त्रुटि लौटाएगा। यह कल्पना करना आसान है कि यह कोड में इंटरऑपरेबिलिटी की समस्या कैसे पैदा कर सकता है।

फोरट्रान में एक आशय विनिर्देश भी है जो संकलक को बताता है कि क्या फ़ंक्शन को दिया गया तर्क इनपुट, आउटपुट या इनपुट और आउटपुट दोनों पैरामीटर है। यह कंपाइलर कोड को ऑप्टिमाइज़ करने में मदद करता है और इसकी पठनीयता और विश्वसनीयता बढ़ाता है।

फोरट्रान में अन्य विशेषताएं हैं जो विभिन्न आवृत्तियों पर उपयोग की जाती हैं। उदाहरण के लिए, फोरट्रान 95 में शुद्ध संशोधक के साथ कार्यों को घोषित करने की क्षमता है। इस तरह के फ़ंक्शन का कोई दुष्प्रभाव नहीं है - यह केवल अपने तर्क बदलता है, और वैश्विक चर नहीं बदलता है। ऐसे फ़ंक्शन का एक विशेष मामला मौलिक फ़ंक्शन है, जो स्केलर को स्वीकार करता है और वापस करता है। इसका उपयोग सरणी तत्वों को संसाधित करने के लिए किया जाता है। यह जानकारी कि फ़ंक्शन शुद्ध है या तात्विक है, कंपाइलर को अतिरिक्त अनुकूलन करने की अनुमति देता है, खासकर जब कोड को समानांतर करना।

भविष्य में क्या उम्मीद की जाए?

वैज्ञानिक गणना में, फोरट्रान मुख्य भाषा बनी हुई है, और निकट भविष्य में गायब होने वाली नहीं है। पर चुनावइस भाषा का उपयोग करते हुए 2014 के सुपरकंप्यूटिंग कन्वेंशन सम्मेलन के आगंतुकों के बीच, उनमें से 100% ने कहा कि वे अगले 5 वर्षों में इसका उपयोग करने जा रहे हैं। सर्वेक्षण से यह भी पता चलता है कि 90% ने फोरट्रान और सी के मिश्रण का उपयोग किया था। इन भाषाओं के मिश्रण में वृद्धि को देखते हुए, फोरट्रान 2015 विनिर्देश के रचनाकारों में कोड इंटरऑपरेबिलिटी के लिए अधिक विशेषताएं शामिल हैं। फोर्टन कोड तेजी से पायथन कोड से बुलाया जा रहा है। फोरट्रान के उपयोग की आलोचना करने वाले कंप्यूटर वैज्ञानिक यह नहीं समझते हैं कि यह भाषा विशिष्ट रूप से इस बात के लिए अनुकूलित है कि इसका नाम क्या रखा गया है - फ़ार्मूला TRANslation, सूत्रों का अनुवाद, यानी कोड में भौतिक सूत्रों का रूपांतरण। उनमें से बहुत से लोग जानते नहीं हैं कि भाषा विकसित हो रही है और इसमें लगातार नई विशेषताएं शामिल हैं।

आधुनिक फोरट्रान को 90+ पर कॉल करना पुराने C ++ को कॉल करने जैसा है क्योंकि C 1973 में विकसित किया गया था। दूसरी ओर, यहां तक कि नवीनतम फोरट्रान 2008 के मानक में फोरट्रान 77 और अधिकांश फोरट्रान 66 के साथ पिछड़ी संगतता है। इसलिए, भाषा का विकास कुछ कठिनाइयों के साथ जुड़ा हुआ है। हाल ही में, एमआईटी के शोधकर्ताओं ने जूलिया नामक एचपीसी के लिए एक भाषा को विकसित करने से इन कठिनाइयों को दूर करने का निर्णय लिया , जिसे पहली बार 2012 में जारी किया गया था। क्या जूलिया फोरट्रान की जगह लेती है या नहीं। किसी भी मामले में, मुझे संदेह है कि इसमें बहुत लंबा समय लगेगा।

क्यों भौतिक विज्ञानी अभी भी फोरट्रान का उपयोग करते हैं

फोरट्रान का विरासत कोड है

भौतिकी के छात्र सी / सी ++ से फोरट्रान आसान सीखते हैं

लाइटनेस वन: फोरट्रान एरे काम

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फोरट्रान और सी के बीच मतभेदों के कुछ और उदाहरण

भविष्य में क्या उम्मीद की जाए?

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