懷念現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父

約翰·馮·諾依曼（John von Neumann，1903—1957），現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父，世界上第一臺(tái)具有現(xiàn)代意義的通用計(jì)算機(jī)的發(fā)明者，美籍匈牙利人，物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、發(fā)明家。諾依曼開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論，其體系結(jié)構(gòu)沿用至今，而且他早在20世紀(jì)40年代就預(yù)見(jiàn)了計(jì)算機(jī)建模和仿真技術(shù)，并對(duì)當(dāng)代計(jì)算機(jī)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

依曼的生平概述

諾伊曼，1903年生于匈牙利布達(dá)佩斯的一個(gè)猶太人家庭。諾依曼的父親是布達(dá)佩斯的銀行家，他的母親是一位善良的婦女，賢慧溫順，受過(guò)良好的教育。

諾伊曼六歲時(shí)能心算做八位數(shù)乘除法，八歲時(shí)掌握微積分，十二歲就讀懂并領(lǐng)會(huì)了波萊爾的大作《函數(shù)論》要義。

1914年夏天，約翰進(jìn)入大學(xué)預(yù)科班學(xué)習(xí)。第一次世界大戰(zhàn)對(duì)諾依曼的學(xué)習(xí)雖然有影響，但畢業(yè)考試時(shí)，他的成績(jī)依然名列前茅。

1921年，諾依曼通過(guò)“成熟”考試時(shí)，已被大家當(dāng)作數(shù)學(xué)家了。由于經(jīng)濟(jì)原因，諾依曼開(kāi)始攻讀化學(xué)。其后的四年間，諾依曼在布達(dá)佩斯大學(xué)注冊(cè)為數(shù)學(xué)方面的學(xué)生，但不聽(tīng)課，只是每年按時(shí)參加考試。1926年，諾依曼在蘇黎世獲得了化學(xué)方面的大學(xué)學(xué)位。通過(guò)每學(xué)期期末回到布達(dá)佩斯大學(xué)的課程考試，諾依曼還獲得了布達(dá)佩斯大學(xué)的數(shù)學(xué)博士學(xué)位。結(jié)束學(xué)生時(shí)代時(shí)，他已經(jīng)站在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)某些方面的前沿地帶了。

二次大戰(zhàn)歐洲戰(zhàn)事爆發(fā)后，諾依曼的活動(dòng)越出了普林斯頓，參與了和反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)有關(guān)的多項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃。l943年起，諾依曼擔(dān)任制造原子彈顧問(wèn)，戰(zhàn)后仍在政府的諸多部門(mén)和委員會(huì)中任職。1954年，諾依曼成為美國(guó)原子能委員會(huì)成員。

諾依曼多年的老友，原子能委員會(huì)主席斯特勞斯曾對(duì)他作過(guò)這樣的評(píng)價(jià)：從他被任命到1955年深秋，諾依曼干得很漂亮。諾依曼有一種使人望塵莫及的能力，最困難的問(wèn)題到他手里，都會(huì)被分解成一件件看起來(lái)十分簡(jiǎn)單的事情，用這種辦法，他大大地促進(jìn)了原子能委員會(huì)的工作。

諾依曼的健康狀況一直很好，可是由于工作繁忙，1954年，他開(kāi)始感到十分疲勞。1955年夏天，X射線檢查出他患有癌癥，但他沒(méi)有停止工作，病勢(shì)擴(kuò)展了。1957年2月，諾依曼在醫(yī)院逝世，享年53歲。

依曼的重要工作

1930～1940年，諾依曼在純粹數(shù)學(xué)方面做了三項(xiàng)最重要的工作，即量子理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、算子環(huán)理論、各態(tài)遍歷定理。

1936～1940年，諾依曼發(fā)表了六篇關(guān)于非交換算子環(huán)論文，可謂20世紀(jì)分析學(xué)方面的杰作，其影響一直延伸至今。

此外，諾依曼在實(shí)變函數(shù)論、測(cè)度論、拓?fù)洹⑦B續(xù)群、格論等數(shù)學(xué)領(lǐng)域取得許多成果。1933年，他運(yùn)用緊致群解決了希爾伯特的第五問(wèn)題，即證明了局部歐幾里得緊群是李群。

依曼的轉(zhuǎn)折點(diǎn)

1940年，諾依曼科學(xué)生涯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在此之前，他是一位通曉物理學(xué)的登峰造極的純粹數(shù)學(xué)家。此后，他成為一位牢固掌握純粹數(shù)學(xué)的出神入化的應(yīng)用數(shù)學(xué)家。諾依曼開(kāi)始關(guān)注當(dāng)時(shí)把數(shù)學(xué)應(yīng)用于物理領(lǐng)域去的最主要工具——偏微分方程。研究同時(shí)他還不斷創(chuàng)新，把非古典數(shù)學(xué)應(yīng)用到兩個(gè)新領(lǐng)域：對(duì)策論和電子計(jì)算機(jī)。

諾依曼的這個(gè)轉(zhuǎn)變一方面來(lái)自他長(zhǎng)期對(duì)數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的鐘情；另一方面來(lái)自當(dāng)時(shí)社會(huì)方面的需要。

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，諾依曼應(yīng)召參與了許多軍事科學(xué)研究計(jì)劃和工程項(xiàng)目。

1940～1957年，任馬里蘭阿伯丁試驗(yàn)彈道研究實(shí)驗(yàn)室科學(xué)顧問(wèn)。

1941～1955年，在華盛頓海軍軍械局。

1943～1955年，任洛斯·阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室顧問(wèn)。

1950～1955年，任陸軍特種武器設(shè)計(jì)委員會(huì)委員。

1951～1957年，任美國(guó)空軍華盛頓科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)成員。

1953～1957年，原子能技術(shù)顧問(wèn)小組成員。

1954～1957年，導(dǎo)彈顧問(wèn)委員會(huì)主席。

諾依曼研究過(guò)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、激波問(wèn)題、氣象學(xué)等。

諾依曼還曾提出用聚變引爆核燃料的建議，并支持發(fā)展氫彈。1947年軍隊(duì)發(fā)嘉獎(jiǎng)令，表?yè)P(yáng)他是物理學(xué)家、工程師、武器設(shè)計(jì)師和愛(ài)國(guó)主義者。

依曼與博弈論

諾依曼不僅將自己的才能用于武器研究等，還用于社會(huì)研究。1928年，諾依曼證明了博弈論的基本原理，從而宣告了博弈論的正式誕生。由他創(chuàng)建的對(duì)策論，無(wú)疑是他在應(yīng)用數(shù)學(xué)方面取得的最為令人羨慕的杰出成就。現(xiàn)今，博弈論主要指研究社會(huì)現(xiàn)象的特定數(shù)學(xué)方法。

依曼與計(jì)算機(jī)

諾依曼對(duì)人類(lèi)的最大貢獻(xiàn)是對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值分析的開(kāi)拓性工作。

現(xiàn)在一般認(rèn)為ENIAC機(jī)是世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，它是由美國(guó)科學(xué)家研制的，于1946年2月14日在費(fèi)城開(kāi)始運(yùn)行。其實(shí)，由湯米、費(fèi)勞爾斯等英國(guó)科學(xué)家研制的“科洛薩斯”計(jì)算機(jī)比ENIAC機(jī)問(wèn)世早兩年多，于1944年1月10日在布萊奇利園區(qū)開(kāi)始運(yùn)行。ENIAC機(jī)證明電子真空技術(shù)可以大大地提高計(jì)算技術(shù)，不過(guò)，ENIAC機(jī)本身存在兩大缺點(diǎn)：一是沒(méi)有存儲(chǔ)器；二是它用布線接板進(jìn)行控制，甚至要搭接幾天，計(jì)算速度也被這一工作抵消了。ENIAC機(jī)研制組的莫克利和埃克特顯然是發(fā)覺(jué)到了這一點(diǎn)，他們很快開(kāi)始著手研制另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，以便改進(jìn)。

諾依曼發(fā)現(xiàn)對(duì)于一些理論物理的研究，為了得到定性的結(jié)果，單靠解析研究也已顯得不夠，必須輔之以數(shù)值計(jì)算。進(jìn)行手工計(jì)算或使用臺(tái)式計(jì)算機(jī)所需化費(fèi)的時(shí)間是令人難以容忍的，于是諾依曼勁頭十足的開(kāi)始從事電子計(jì)算機(jī)和計(jì)算方法的研究。他對(duì)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）的設(shè)計(jì)提出建議，1945年3月他在共同討論的基礎(chǔ)上起草了ENIAC設(shè)計(jì)報(bào)告初稿，這對(duì)后來(lái)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)有決定性的影響，特別是確定計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用存儲(chǔ)程序以及二進(jìn)制編碼等，至今仍為電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者所遵循。

1944年，諾伊曼參加原子彈的研制工作，該工作涉及到極為困難的計(jì)算。在對(duì)原子核反應(yīng)過(guò)程的研究中，要對(duì)一個(gè)反應(yīng)的傳播做出“是”或“否”的回答。解決這一問(wèn)題通常需要通過(guò)幾十億次的數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯指令，盡管最終的數(shù)據(jù)并不要求十分精確，但所有的中間運(yùn)算過(guò)程均不可缺少，且要盡可能保持準(zhǔn)確。他所在的洛·斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室為此聘用了一百多名女計(jì)算員，利用臺(tái)式計(jì)算機(jī)從早到晚計(jì)算，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需要。無(wú)窮無(wú)盡的數(shù)字和邏輯指令如同沙漠一樣把人的智慧和精力吸盡。

1946年，諾依曼開(kāi)始研究程序編制問(wèn)題，他是現(xiàn)代數(shù)值分析——計(jì)算數(shù)學(xué)的締造者之一，他首先研究線性代數(shù)和算術(shù)的數(shù)值計(jì)算，后來(lái)著重研究非線性微分方程的離散化以及穩(wěn)定問(wèn)題，并給出了誤差估計(jì)。諾依曼協(xié)助發(fā)展了一些算法，特別是蒙特卡羅方法。

計(jì)算機(jī)工程的發(fā)展也應(yīng)大大歸功于諾依曼。計(jì)算機(jī)的邏輯圖式，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)、速度、基本指令的選取以及線路之間相互作用的設(shè)計(jì)，都深深受到諾依曼思想的影響。他不僅參與了電子管元件的計(jì)算機(jī)ENIAC的研制，并且還在普林斯頓高等研究院親自督造了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。稍前，諾依曼還和摩爾小組一起，寫(xiě)出了一個(gè)全新的存儲(chǔ)程序，通用電子計(jì)算機(jī)方案EDVAC，長(zhǎng)達(dá)l0l頁(yè)的報(bào)告轟動(dòng)了數(shù)學(xué)界。一向?qū)８憷碚撗芯康钠樟炙诡D高等研究院也批準(zhǔn)讓諾依曼建造計(jì)算機(jī)，依據(jù)的就是這份報(bào)告。

速度超過(guò)人工計(jì)算千萬(wàn)倍的電子計(jì)算機(jī)，不僅極大地推動(dòng)了數(shù)值分析的進(jìn)展，而且還在數(shù)學(xué)分析本身的基本方面，刺激嶄新方法的出現(xiàn)。其中，由諾依曼等制訂的使用隨機(jī)數(shù)處理確定性數(shù)學(xué)問(wèn)題的蒙特卡洛法的蓬勃發(fā)展，就是突出的實(shí)例。

19世紀(jì)那種數(shù)學(xué)物理原理的精確的數(shù)學(xué)表述，在現(xiàn)代物理中似乎十分缺乏。基本粒子研究中出現(xiàn)的紛繁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，令人眼花繚亂，要想很快找到數(shù)學(xué)綜合理論希望還很渺茫的。單從綜合角度看，且不提在處理某些偏微分方程時(shí)所遇到的分析困難，要想獲得精確解希望也不大。所有這些都迫使人們?nèi)で竽芙柚娮佑?jì)算機(jī)來(lái)處理的新的數(shù)學(xué)模式。諾依曼為此貢獻(xiàn)了許多天才的方法：它們大多分載在各種實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。從求解偏微分方程的數(shù)值近似解，到長(zhǎng)期天氣數(shù)值預(yù)報(bào)，以至最終達(dá)到控制氣候等。

在諾依曼生命的最后幾年，他的思想仍然很活躍，綜合早年對(duì)邏輯研究的成果和關(guān)于計(jì)算機(jī)的工作，把眼界擴(kuò)展到一般自動(dòng)機(jī)理論。他以特有的膽識(shí)進(jìn)擊最為復(fù)雜的問(wèn)題：怎樣使用不可靠元件去設(shè)計(jì)可靠的自動(dòng)機(jī)，以及建造自己能再生產(chǎn)的自動(dòng)機(jī)。從中，他意識(shí)到計(jì)算機(jī)和人腦機(jī)制的某些類(lèi)似，這方面的研究反映在西列曼講演中；逝世后才有人以《計(jì)算機(jī)和人腦》的名字，出了單行本。盡管這是未完成的著作，但是他對(duì)人腦和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的精確分析和比較后所得到的一些定量成果，仍不失其重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

被計(jì)算機(jī)所困擾的諾伊曼在一次極為偶然的機(jī)會(huì)中知道了ENIAC計(jì)算機(jī)的研制計(jì)劃，從此他投身到計(jì)算機(jī)研制的這一宏偉事業(yè)中，建立了一生中最大的豐功偉績(jī)。

1944年的一個(gè)夏天，正在火車(chē)站候車(chē)的諾伊曼巧遇戈?duì)査固梗⑼M(jìn)行了短暫的交談。當(dāng)時(shí)，戈?duì)査固故敲绹?guó)彈道實(shí)驗(yàn)室的軍方負(fù)責(zé)人，正參與ENIAC計(jì)算機(jī)的研制工作。在交談中，戈?duì)査固垢嬖V了諾伊曼有關(guān)ENIAC的研制情況。具有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的諾伊曼被這一研制計(jì)劃所吸引，他意識(shí)到這項(xiàng)工作的深遠(yuǎn)意義。

諾依曼由ENIAC機(jī)研制組的戈?duì)柕滤雇⒅形窘榻B參加ENIAC機(jī)研制小組后，由此便帶領(lǐng)這批富有創(chuàng)新精神的年輕科技人員，向著更高的目標(biāo)進(jìn)軍。1945年，他們?cè)诠餐懻摰幕A(chǔ)上，發(fā)表了一個(gè)全新的“存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案”——ENIAC（Electronic Discrete Variable AutomaticCompUter）。在這個(gè)過(guò)程中，諾依曼顯示出他雄厚的數(shù)理基礎(chǔ)知識(shí)，充分發(fā)揮了他的顧問(wèn)作用及探索問(wèn)題和綜合分析的能力。諾伊曼以“關(guān)于ENIAC的報(bào)告草案”為題，起草了長(zhǎng)達(dá)101頁(yè)的總結(jié)報(bào)告。報(bào)告廣泛而具體地介紹了制造電子計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的新思想。這份報(bào)告是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上一個(gè)劃時(shí)代的文獻(xiàn)，它向世界宣告：電子計(jì)算機(jī)的時(shí)代開(kāi)始了。

ENIAC方案明確奠定了新機(jī)器由五個(gè)部分組成，包括：運(yùn)算器、邏輯控制裝置、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備，并描述了這五部分的職能和相互關(guān)系。報(bào)告中，諾伊曼對(duì)ENIAC中的兩大設(shè)計(jì)思想作了進(jìn)一步的論證，為計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)樹(shù)立了一座里程碑。

設(shè)計(jì)思想之一是二進(jìn)制，諾依曼根據(jù)電子元件雙穩(wěn)工作的特點(diǎn)，建議在電子計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制。報(bào)告提到了二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn)，并預(yù)言，二進(jìn)制的采用將大簡(jiǎn)化機(jī)器的邏輯線路。

實(shí)踐證明了諾依曼預(yù)言的正確性。如今，邏輯代數(shù)的應(yīng)用已成為設(shè)計(jì)電子計(jì)算機(jī)的重要手段，在ENIAC中采用的主要邏輯線路也一直沿用著，只是對(duì)實(shí)現(xiàn)邏輯線路的工程方法和邏輯電路的分析方法作了改進(jìn)。

序內(nèi)存

程序內(nèi)存是諾伊曼的另一杰作。通過(guò)對(duì)ENIAC的考察，諾伊曼敏銳地抓住了它的最大弱點(diǎn)——沒(méi)有真正的存儲(chǔ)器。ENIAC只有20個(gè)暫存器，它的程序是外插型的，指令存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的其他電路中。這樣，解題之前，必須先想好所需要的全部指令，通過(guò)手工把相應(yīng)的電路聯(lián)通。這種準(zhǔn)備工作要花幾小時(shí)甚至幾天時(shí)間，而計(jì)算本身只需幾分鐘。計(jì)算的高速與程序的手工存在著很大的矛盾。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，諾伊曼提出了程序內(nèi)存的思想：把運(yùn)算程序存在機(jī)器的存儲(chǔ)器中，程序設(shè)計(jì)員只需要在存儲(chǔ)器中尋找運(yùn)算指令，機(jī)器就會(huì)自行計(jì)算。這樣，就不必每個(gè)問(wèn)題都重新編程，從而大大加快了運(yùn)算進(jìn)程。這一思想標(biāo)志著自動(dòng)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)的成熟，已成為電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則。

1946年7—8月，諾依曼和戈?duì)柕滤雇ⅰ⒉怂乖贓NIAC方案的基礎(chǔ)上，為普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究所研制IAS計(jì)算機(jī)時(shí)，又提出了一個(gè)更加完善的設(shè)計(jì)報(bào)告《電子計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)初探》。以上兩份既有理論又有具體設(shè)計(jì)的文件，首次在全世界掀起了一股“計(jì)算機(jī)熱”，它們的綜合設(shè)計(jì)思想，便是著名的“馮·諾依曼機(jī)”，其中心就是有存儲(chǔ)程序原則——指令和數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)（存儲(chǔ)機(jī)）。這個(gè)概念被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑”。它標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的真正開(kāi)始，指導(dǎo)著以后的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。自然一切事物總是在發(fā)展著的，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，今天人們又認(rèn)識(shí)到“馮·諾依曼機(jī)”的不足，它妨礙著計(jì)算機(jī)速度的進(jìn)一步提高，而提出了“非馮·諾依曼機(jī)”的設(shè)想。

諾依曼還積極參與了推廣應(yīng)用計(jì)算機(jī)的工作，對(duì)如何編制程序及搞數(shù)值計(jì)算都做出了杰出的貢獻(xiàn)。諾依曼，1937年獲美國(guó)數(shù)學(xué)會(huì)的波策獎(jiǎng)；1947年獲美國(guó)總統(tǒng)的功勛獎(jiǎng)?wù)隆⒚绹?guó)海軍優(yōu)秀公民服務(wù)獎(jiǎng)；1956年獲美國(guó)總統(tǒng)的自由獎(jiǎng)?wù)潞蛺?ài)因斯坦紀(jì)念獎(jiǎng)以及費(fèi)米獎(jiǎng)。

依曼的逸聞

在ENIAC計(jì)算機(jī)研制時(shí)期，有幾個(gè)數(shù)學(xué)家聚在一起切磋數(shù)學(xué)難題，百思不得某題之解。有個(gè)人決定帶著臺(tái)式計(jì)算器回家繼續(xù)演算。次日清晨，他眼圈黑黑，面帶倦容走進(jìn)辦公室，頗為得意地對(duì)大家炫耀說(shuō)：“我從昨天晚上一直算到今天早上4點(diǎn)半，總算找到那個(gè)難題的五種特殊解答了。它們一個(gè)比一個(gè)更難咧！”說(shuō)話間，諾依曼推門(mén)進(jìn)來(lái)，“什么題更難？”雖只聽(tīng)到后面半句話，但一聽(tīng)“更難”二字便馬上來(lái)了精神。聽(tīng)完題目，諾依曼頓時(shí)把自己該辦的事拋進(jìn)爪哇國(guó)里，興致勃勃地提議道：“讓我們一起算算這五種特殊的解答吧。”

大家都想見(jiàn)識(shí)一下諾依曼的“神算”本領(lǐng)，只見(jiàn)他眼望天花板，不言不語(yǔ)，迅速進(jìn)到“入定” 狀態(tài)。過(guò)了五分鐘，就說(shuō)出了前四種解答，又在沉思著第五種……青年數(shù)學(xué)家再也忍不住了，情不自禁脫口講出答案。諾依曼吃了一驚，但沒(méi)有接話茬。又過(guò)了一分鐘，他才說(shuō)道：“你算得對(duì)！”

那位數(shù)學(xué)家懷著崇敬的心情離去，他不無(wú)揶揄地想：“還造什么計(jì)算機(jī)喲，教授的頭腦不就是一臺(tái)‘超高速計(jì)算機(jī)’嗎？”然而，諾依曼卻呆在原地，陷入苦苦思索中，許久都不能自拔。有人輕聲向他詢(xún)問(wèn)緣由，教授不安地回答說(shuō)：“我在想，他究竟用什么方法，這么快就算出了答案。”聽(tīng)到此言，大家不禁哈哈大笑：“他用臺(tái)式計(jì)算器算了整整一個(gè)夜晚！”諾依曼一愣，也跟著開(kāi)懷大笑起來(lái)。