馮·諾伊曼：電子計算機之父

天生就是神童

1903年12月28日，馮·諾依曼出生于匈牙利布達佩斯一個殷實的猶太人家庭里。這個家庭歷史上曾走出過一些著名的數學家和物理學家。他的父親是一個銀行家，很受當地人尊敬，諾依曼是三個兒子中的老大。童年的諾依曼，高高的個子，一雙棕褐色的明亮的大眼睛。他個性活潑，喜歡沉思。據說幼年時的諾依曼記憶力十分驚人，讀書過目成誦。尤其是表現出罕見的數學天才，“數學神童”的名聲一直傳揚在外。神童般的幼年預示著他將來必成大器，歲月果然證實了這點。

3歲，他就能記住不少數字。6歲，他就能心算8位數除法。8歲，他學會了微積。他對數學的喜愛到了入迷的地步。據說有一次，他看到母親停下手中的鉤針盯著前方某點沉思，就問：“您在計算什么？”甚至與小伙伴們一起去玩，往往演變成對數學原理的爭論。11歲上中學后，老師也對他卓越的數學天賦驚嘆不已，向他父親建議，干脆讓小諾依曼退學回家，聘請大學教授來當家庭教師。1 7歲時，他與老師合作發表了第一篇數學論文。年輕的諾依曼不但聰明過人，還富于幽默感，愛好雙關語和俏皮的打油詩。上大學時，父親要他攻讀化學工程，可他已經醉心于數學天地，難以自拔。

第一次世界大戰對諾依曼的沖擊很大。他父親的銀行被沒收了，全家人逃亡到威尼斯。1921年到1923年期間，諾依曼雖然被布達佩斯大學錄取，卻在柏林大學師從數學家斯米特，也常常去聽愛因斯坦的講座。諾依曼作為全才型的天才，掌握了7種語言，并在最新的數學分支——集合論、泛函分析等理論研究中取得突破性進展。22歲時，諾依曼獲得瑞士蘇黎士聯邦工業大學化學工程學位。1926年，獲得布達佩斯大學數學博士學位。此后，他轉向物理領域，在理論物理領域“風光無限”。風華正茂的諾依曼一下子成為科學殿堂的“文武全才”，在數學、應用數學、物理學、博弈論和數值分析等領域都有不凡的建樹。

年輕的馮·諾依曼由于才華出眾，在學術界越來越引人注目了。他先后游學著名的柏林大學、漢堡大學，任私人教授。并成為德國大數學家大衛·希爾伯特的得意門生。那時的美國與歐洲相比，科學水平較低，急需引進人才。

1930年，美國數學泰斗韋伯倫教授廣羅天下英才，邀請他來普林斯頓大學任教，諾依曼欣然前往，登上一艘小型的丘納德船，橫渡大西洋，應邀到美國普林斯頓大學擔任客座講師。不久，又被轉聘為訪問教授。1933年，普林斯頓成立高級研究院，諾依曼是其中最年輕的教授，本世紀最著名的科學家愛因斯坦是他的同事。

神人的神奇之處

由于納粹德國迫害猶太血統的科學家，諾依曼無法再回德國工作，因此在美國終生定居，在1930年加入了美國籍。1938年12月8日，他與克拉瑞·唐結婚，克拉瑞后來成為洛杉磯科學實驗室的一名程序員。諾依曼在普林斯頓大學一直工作到1955年夏，然后去原子能委員會任職。

二戰爆發后，他參與美國一些重大的科研項目，如著名的制造原子彈的“曼哈頓計劃”。此外，他還是“博弈論”的發展人之一。“博弈論”是為了能在十分復雜的博弈中取勝而制定出戰略的一種數學研究，也可以作為經濟或軍事戰略上的模式。諾依曼曾與經濟學家摩根斯特恩合著過《博弈論與經濟行為》一書，為運籌領域做出不可磨滅的貢獻。

諾依曼擁有罕見的記憶力。對于他曾經讀過的書，他能在10年之后逐一引用原書的段落和文字。20世紀40年代，他的同事曾經想考考他的記憶力，問他《雙城記》是如何開頭的，諾依曼不假思索地開始背誦，毫不間斷、無比流利地進行到被叫停，一共持續了10分鐘。諾依曼的天才還表現在他極其透徹的分析能力上，在最短的時間內，透過繁復蕪雜的現象，單刀直入，抓住問題的核心和癥結。

有一次， 一位優秀數學家通宵達旦，伏案完成了一項數學計算。次日見到諾依曼，提及此事，諾依曼仰視天花板，靜默幾分鐘后，就得出了一模一樣的結論，使所有在場的人大驚失色。諾依曼擅長抓住理論物理中的一些顯然無關的概念，把它們組成優美簡潔的邏輯結構。他還擁有進行各種心算的驚人才能，思維過程極快，幾乎在說話者說出頭幾句話后就能一下子了解對方的最后論點。以至于他的一位同事很感慨地說：“你看！馮的確不是個凡人。但在同人們長期共同生活之后，他也學會了怎樣出色地去模仿世人。”

諾依曼長著橢圓形的面孔，前額高聳，身材矮胖，講一口流利帶有外國口音的英語，語速很快。他衣著講究，經常穿著馬甲，兜里插著手絹，扣上外衣扣子。熱衷于各種小裝置，也愛好復雜的玩具。他是一個工作狂，常常不解決問題決不停手，有時靈感突至，夜里也會爬起來。諾依曼食量驚人，在洛斯阿拉莫斯時，常常驅車120英里去一家墨西哥餐館飽餐一頓。他對工作之外的東西都漫不經心。

有一次，他正在病中的妻子請他倒杯水，諾依曼不得不問杯子放在哪，那時他已經在這個屋子里住了17年。諾依曼對他的車子也同樣粗心大意，幾乎每年都報廢一輛車子。

改變世界的邂逅

1944年夏天，美國東部的馬里蘭州阿伯丁火車站站臺上，諾依曼和一位年輕的軍官不期而遇，后者是美軍軍械部彈道實驗室的赫爾曼·哥爾斯廷上尉，負責美軍槍炮火力表的測試。哥爾斯廷上尉出于對諾依曼的景仰，上前和他攀談。數學大師和后起之秀在阿伯丁站臺上的談話非常融洽。當上尉告訴諾依曼，目前他正從事一項科研，研制一臺每秒鐘能進行333次乘法運算的電子計算機時，諾依曼頓時萌生興趣，連連追問。剛才輕松的交談氣氛一掃而空，哥爾斯廷被問得汗流浹背，用他后來的話說，“簡直像一場數學博士論文的答辯”。不久，也就是1944年8月，心有掛念的諾依曼急匆匆趕往賓夕法尼亞大學的摩爾學院，去看哥爾斯廷上尉所講的那臺機器。

20世紀30年代，電子學的發展和研制穿孔卡片式統計分析機的經驗，為創立電子計算機提供了主要的技術前提。二次大戰中，賓夕法尼亞大學莫爾學院電子系和阿伯丁彈道研究實驗室共同負責為陸軍每天提供6張火力表。任務艱難而緊迫。因為每張表都要計算幾百條彈道，而一個熟練的計算員計算一條飛行時間60秒的彈道要花20小時。盡管他們改進了微分分析儀，聘用了200多名計算員，一張火力表仍要算兩三個月，問題相當嚴重。

當時，負責該項工作的軍方代表正是年輕的哥爾斯廷，他原是一位數學家。他的朋友莫齊利這時正好在莫爾學院電子系任職。1942年8月，莫齊利寫出《高速電子管計算機裝置的使用》的備忘錄，即ENIAC的初始方案。思想敏捷的哥爾斯廷馬上意識到方案的巨大價值，立即向他的上司匯報，獲得支持，成立了研制小組。

小組的成員是：負責電子計算機總設計方案的物理學家莫齊利；芬蘭人艾

克特擔任總工程師，負責解決制造中一系列困難復雜的工程技術問題；年輕的哥爾斯廷不僅在數學上能提出有用的建議，而且是精干的科研管理人才；另外還有年輕的邏輯學家勃克斯。正當研制工作停滯不前、研制者大傷腦筋時，馮·諾依曼恰逢其時，投身到新型計算機設計的行列中。

艾克特說：“馮·諾依曼是否真正的天才，從他來以后提的第一個問題就可判斷出來。”1944年8月初，馮·諾依曼來到莫爾學院，參觀了尚未竣工的被稱為ENIAC的電子計算機，他第一個問題就問起機器的邏輯結構。艾克特心中暗暗佩服：“不愧是位天才的科學家，一下就點到問題的要害！”這以后，馮·諾依曼就成為莫爾學院的實際顧問。

當時“愛尼亞克”（ENIAC）已研制到一半，正處于在程序存儲問題上搖擺不定的緊急關頭，天才數學家諾依曼的出現，一下子改變了當時半夢半醒的局面。而對諾依曼來說，這次邂逅也打開了他的心結。原來，二戰爆發后，諾依曼作為美國政府的高級科學顧問，在最高的科學技術決策層中有很強的影響力。在他參與的“曼哈頓計劃”中，原子核裂變的各項數據非常繁雜，如果用人工來計算，即便聰慧如諾依曼，有1000個也不頂事。而那些半自動和電動的計算機器，也快不了多少。他痛感現有的計算工具速度太慢，使一些重大科研項目的進度受到嚴重的影響。因此，他一聽說彈道實驗室有個“PX計劃”，要搞一臺每秒能做333次乘法運算的電子計算機時，簡直喜不勝喜。在看過“愛尼亞克”后的1944年9月，他就成了摩爾學院的常客，與莫齊利和艾克特一同研究問題。

奠定馮·諾依曼結構

“愛尼亞克”出現的程序存儲問題，對于諾依曼來說，真是“天將降大任于斯人也”！他的天才得到淋漓盡致的發揮，明確指出：那種半夢半醒的折衷方案不可取，要做就做到最好，一定要徹底實現程序由外存儲向內存儲的轉化，所有程序指令必須用內在記憶的方式存儲在磁帶上，以電子的速度運行。必須大刀闊斧修改原有設計。諾依曼還是位財神爺，經費不夠，他有足夠的影響力去爭取。在諾依曼的影響下，整個研制工作取得了突破性的進展，軍方也信心倍增，一口氣追加了10萬美元的投資。

而諾依曼自己也傾注了大量的心血，拋開美國政府高級科學顧問和著名科學家的身份，和大伙一起，一頭鉆進“愛尼亞克”研制小組，甚至當他因其他要事無法出席時，一定會以信函的方式提出自己的意見。在此，諾依曼提出了一個新的改進方案，一是用二進制代替十進制，進一步提高電子元件的運算速度；二是存儲程序（StoredProgram），即把程序放在計算機內部的存儲器中。后一點，解決了當時計算機內外聯系不便的毛病。

此前，一用計算機就需要數十名精兵強將手忙腳亂地連接各種導線，否則計算機只能干瞪眼不干活。而諾依曼妙手回春，給原本健忘的計算機開了一副靈丹妙藥。他的改進方案稱為“愛達法克”（EDVAC），是“離散變量自動電子計算機”（Electronic DiscreteVariable Computer）的簡稱。

1945年6月，他將自己的思想撰寫成文，題為《關于離散變量自動電子計算機的草案》，長達101頁，提出了在數字計算機內部的存儲器中存放程序的概念（Stored Program Concept）。這是所有現代電子計算機的范式，被稱為“馮·諾依曼結構”，按這一結構建造的電腦稱為存儲程序計算機（StoredProgram Computer），又稱為通用計算機。長達101頁的EDVAC方案是計算機發展史上的一個劃時代的文獻，它向世界宣告：電子計算機時代開始了。而為這個方案做出貢獻的天才科學家馮·諾依曼則被人們譽為“電子計算機之父”。

但這篇文章的出現卻使得“愛尼亞克”的研制者——艾克特和莫齊利與諾依曼鬧翻了。原來這篇掀起了世界的計算機熱潮，成為劃時代文獻的報告，只單獨署了諾依曼的大名。諾依曼是半道插進來的，卻把辛辛苦苦做了一大半研制工作的艾克特和莫齊利拋到了腦后。這不能不讓艾克特和莫齊利心存不滿。

再說，諾依曼文章提出的存儲程序，莫齊利和艾克特也早有類似的想法，并在研制中不斷地摸索，諾依曼只是把它深化、概念化、系統化而已。應該說，艾克特和莫齊利是“愛尼亞克”真正研制者（這一點舉世公認），他倆是第一臺電腦的產婦，而諾依曼是第一臺電腦的助產士。現在，諾依曼事先不打任何招呼，撇開研制小組的其他所有成員，把研制情況公諸于世，好像是他的獨創一樣。而艾克特和莫齊利由于要遵守美國的有關保密法規，不能發表有關項目的任何內容。諾依曼卻不同，他不能算“愛尼亞克”小組的正式成員，而且身份特殊，算作參與者同時又是不受保密法限制的旁觀者，所以盡可寫文章發表。

造計算機就像母雞下蛋

由于種種原因，諾依曼的設想沒能在“愛尼亞克”上實現，因為那時“愛尼亞克”總體設計和主體建造工程已經完成。直到1952年“愛達法克”（EDVAC）才姍姍來到人間。早在三年前，也即1949年5月6日，第一臺存儲程序的“諾依曼機器”由英國劍橋大學的莫里斯·威爾克斯研制成功，名為“愛達賽克”（EDSAC），是英文ElectronicDelay Storage Automatic Calculator的簡稱。威爾克斯僅用了一個晚上就將《關于離散變量自動電子計算機的草案》通讀，并做了詳盡的筆記。仿照諾依曼提出的“離散變量自動電子計算器”（EDVAC），威爾克斯把他的設計的機器命名為“機電存儲自動電子計算器”，簡稱“愛達賽克”（EDSAC），表明他的基本設計思想來自諾依曼。

憑他的天才和敏銳，諾依曼在電腦初創期，高屋建瓴地提出了現代計算機的理論基礎，規范了電腦的發展方向。諾依曼還是一個卓越的科研組織者。當艾克特和莫齊利與摩爾學院分道揚鑣后不久，諾依曼也離開他提出的“愛達法克”（EDVAC）研制小組，回到普林斯頓高等研究院，在那里研制名為“高等研究院電腦”，又稱“阿艾斯機”（IAS）。當時有人對在20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦所在的圣地，興師動眾斥巨資搞電腦，很不以為然。但諾依曼力排眾議，認為電腦將會把普林斯頓大學的象牙塔推進一個新時代。當他看到高等研究院里才智不凡的青年人陷于繁煩低級的數學運算時，曾痛心疾首地說：“這種浪拋才智的行為簡直形同犯罪。”

在他牽頭下，1946年3月，“阿艾斯機”開始研制，由普林斯頓大學出實驗場地，由美國陸軍軍械部彈道實驗室和國家原子能委員會投資。諾依曼不存芥蒂，力邀艾克特來作技術總負責，但因艾克特已下決心與莫齊利一同創辦公司，未能如愿。諾依曼退而求其次，請麻省理工學院的也曾參與過“愛尼亞克”研制的朱利安·比格羅前來主持。此時已脫下軍裝的哥爾斯廷也追隨諾依曼來到普林斯頓大學，做他的副手。1946年6月，設計方案出來后，諾依曼把副本送給洛斯·阿拉莫斯實驗室、伊利安諾大學、橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室和國防部的思想庫蘭德公司等著名的科研機構，為日后給這些機構構造用于科學計算的電腦做準備。經過6年的努力，“阿艾斯機”在1952年6月10日正式建成，它只有2300個電子管，長6英尺、高8英尺、寬2英尺，是同期中外型最小的、而運算能力最強的，在調試階段，做過一次著名的試驗，每日24小時連軸轉不間斷運行60天，對當時氫彈設計中的大量關鍵數據進行處理，為氫彈的研制立下汗馬功勞。

“阿艾斯機”后來又復制十多臺供上述多家機構使用，這些機構又在“阿艾斯機”的基礎上，各自研制新型電腦，如“奧達法克”（ORDVAC）、“ 伊利亞克”（ILLIAC）、“喬尼亞克”（JOHNNAC）、“曼尼亞克”（MANIAC）和“ 愛維達克”（AVIDAC）等。其中有一臺“ 阿艾斯機” 還漂洋過海， 到澳大利亞的悉尼安家落戶， 名叫“ 西利亞克”（SIUIAC）。凝聚著諾依曼心血的“阿艾斯機”簡直就是一只孵了一窩小雞的母雞。