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计算机学习漫谈(1)——冯·诺依曼其人

已有 6420 次阅读 2010-12-16 21:35 |个人分类:计算机漫谈|系统分类:科普集锦| 计算机, 冯·诺依曼, 计算机历史

 世界上存在一位这样的科学家。数学界的人认为他是本世纪最伟大的数学家之一,因为他在遍历理论、拓扑群理论等方面做出了开创性的工作;物理学界的人却坚持说他是一个为伟大的物理学家,因为他在30年代发表的《量子力学的数学基础》已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的作用;而经济学界的人则反复强调他是一名伟大的经济学家,因为他建立的经济增长横型体系,特别是40年代;版的著作《博弈论和经济学行为》,使他在经济学和决策科学领域树立起一块丰碑,而计算机界的人则干脆称它为现代计算机之父。他就是美籍匈牙利裔学者约翰·冯·诺依曼(John Von Neumann)。无论从哪个角度看,冯·诺依曼都是一位极具传奇色彩的全才科学家。

  1913年匈牙利首都布达佩斯,一位犹太银行家在报纸上刊登启事,要为他10岁的孩子招聘家庭教师,聘金超过常规10倍。布达佩斯人才济济,可一个多月过去了,居然没有一人前往应聘。因为在这个城市里,谁都听说过这位银行家的长子冯·诺依曼聪明过人,3岁就能背诵父亲账本上的所有数字,6岁能够心算8为数除8为数的负责算术题,8岁学会了微积分。正是这位天才非凡的学习能力,使他找不到一位家庭教师。父亲无奈,只好把冯·诺依曼送进一所正规学校就读。不到一个学期,他班上的数学老师走进家门,告诉银行家自己的数学水平已远不能满足冯·诺依曼的需要。“假如不给这孩子创造深造的机会,将会耽误他的前途,”老师认真地说道,“我可以将他推荐给一位数学教授,您看如何?”银行家一听大喜过望,于是冯·诺依曼一面在学校跟班就读,一面又布达佩斯大学教授为他“开小灶”。然而,这种情况也没能持续几年,勤奋好学的中学生很快又超过了大学教授,他居然把学习的触角伸进了当时最新数学分支--集合论和泛函分析,同时还阅读了大量历史和文学方面的数据,并学会了七种外余额。毕业前夕,冯·诺依曼与数学教授联名发表了他第一篇数学论文,那一年,他还不到17岁。考大学前夕,匈牙利政局出现动荡,冯·诺依曼便浪迹欧洲各地,在柏林和瑞士一些著名大学听课。22岁时,他获瑞士苏黎世联邦工业大学化学工程文凭。一年之后,他轻而易举摘取布达佩斯数学博士学位。在柏林当了几年无薪讲师后,他转而攻向物理学,为量子力学研究数学模型,又使自己在理论物理学领域占据了突出的地位。风华正茂的冯·诺依曼,靠着顽强的学习毅力,在科学殿堂里“横扫千军如卷席”,成为横跨数、理、化各门学科的超级全才。1928年,美国数学泰斗、普林斯顿高级研究员维伯伦教授将一封烫金的大红聘书寄给了柏林大学这位无薪讲师。1930年,27岁的冯·诺依曼提升为教授;1933年,他又与爱因斯坦一起,被聘为普林斯顿高等研究院第一批终身教授,而且是6名大师中最年轻的一名。

  冯·诺依曼在计算机领域作出了巨大的贡献,但他介入计算机却是源自一次偶然的谈话。1944年仲夏的一个晚上,负责阿贝丁炮场的年轻军官戈德斯坦中尉来到阿贝丁车站,等候去费城的火车,突然看见前面不远处,有个熟悉的身影向他走过来。来自正是闻名世界的大数学家冯·诺依曼,他当时的身份是阿贝丁炮场的顾问。在这次偶遇中,冯·诺依曼了解到了戈德斯坦正在研究电子计算机课题。冯·诺依曼先是被这个伟大的构想震惊了一阵子,随后又感到极其兴奋。他机不可耐地向戈德斯坦表示,希望亲自到莫尔学院看一看那台尚未出世的机器。当冯·诺依曼来到莫尔学院之后,第一个问题就问到了机器的逻辑结构这一个最为关键的问题,这让莫切利和埃克特佩服不已。冯·诺依曼随后一起厚实的科技功底和极强的综合能力与青年们结合,极大提高了莫尔小组的整体水平。

  在莫切利和埃克特研制的ENIAC计算机中,存在两个致命的缺点,(1)没有存储器;(2)它用布线接板进行控制,甚至要搭接几天,计算速度也就被这一工作抵消了。而这两个问题冯·诺依曼一眼就看出来了。在ENIAC尚未投入运行前,他就已经开始准备对这台电子计算机进行脱胎换骨的改造。在短短的10月里,冯·诺依曼迅速把概念变成了方案。新机器被命名为“离散变量自动电子计算机”,英文缩写为EDVAC19456月,冯·诺依曼与戈德斯坦等人,联名发表了一篇长达101页洋洋万言的报告,即计算机史上著名的“101报告”。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基,知道今天,仍然被认为是现代电脑科学发展历程碑式的文献。

  在101报告中,冯·诺依曼明确规定出计算机的五大部件:运算器CA、逻辑控制器CC、存储器M、输入装置I和输出装置0,并描述了五大部件的功能和相互关系。与ENIAC相比,EDIAC的改进首先在于冯·诺依曼巧妙想出“存储程序”的办法,程序被他当作数据存进了机器内部,以便电脑能自动地一条接着一条地依次执行指令,再也不用去接通什么线路。其次,他明确提出这种机器必须采用二进制数制,以充分发挥电子器件的工作特点,使结构紧凑而且更通用化。人们后来把按照这一思路设计的机器统称为“冯·诺依曼机”,我们现在用的所有电脑都是属于“冯·诺依曼机”。

  二战结束后,冯·诺依曼回到了普林斯顿大学,在普林斯顿掀起了一股强劲的电脑热。他趁热打铁,着手将他那101也计算机方案付诸实施。1951年,这台凝聚着他多年心血的EDVAC计算机终于面世,程序存储在机器内部后,效率比ENIAC提高数百倍,只用了3563个电子管和1万只晶体二极管,以水银延迟线来储存程序和数据,消耗电力和占地面积只有ENIAC的三分之一。

  195728日,冯·诺依曼身患骨癌,在美国德里医院与世长辞,只生活了54个春秋。他一生获得数不清的奖项,包括两次美国总统就,1994年还被追授美国国家基础科学奖。毫无疑问,他是计算机发展史上的一代伟人!



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