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計算機之父、博弈論之父:馮·諾伊曼

作者:周山老照片

提起著名科學家,大衆比較熟知的有愛因斯坦、霍金、錢學森等人。

計算機之父、博弈論之父:馮·諾伊曼

很多人不知道馮·諾伊曼是誰,但他對于許多計算機專業的同學來說,是神一般的存在,而且他的研究不僅涉及原子彈、計算機,還有量子力學、經濟學和氣候變化。有些天才用盡畢生所學,隻為研究某種技術或者精神,而馮·諾依曼是少有的全才。

1、天才之天才

馮·諾伊曼出生在匈牙利一個貴族家庭之中,從小他就被大家認為是真正的神童,尤其是在數學方面。六歲時,他就會心算八位數的除法;八歲時,他已經掌握了微積分;十二歲時,他已能讀懂法國數學家博雷爾的《函數論》。18歲他考進了布達佩斯大學,選修數學,同時在蘇黎世聯邦理工學院修讀化學,并且是一次考上,由于成績太出色,直接跳了一級,從大二開始上課。要知道,這所大學當年愛因斯坦考了兩次才考上。1926年,年僅22歲的他獲得蘇黎世聯邦工業大學化學學位,獲布達佩斯大學的數學博士學位。

計算機之父、博弈論之父:馮·諾伊曼

有人說,他的大腦是台精美的“存儲器”,他精通4國語言,所讀過的重要論文或資料可以過目不忘,幾年之後,還能照原樣背誦出來。他的大腦還是一個不知疲倦的“思考器”。在他的一生中,共發表論文150篇,其中純數學60篇、實體學20篇、應用數學60篇。他20多歲所發表的定義序數論文,就取代了祖師爺級别的康托爾的舊定義。不僅如此他後來還創立了博弈論,不僅是“計算機之父”,還是“博弈論之父”。

2、馮·諾伊曼結構

馮·諾伊曼的一生不僅涉足數學、實體和計算機三個領域,還不斷變換着研究的主題,每次轉向都帶有開創性,還取得了驚人的成果,但最大貢獻還是在計算機領域。

1936年9月,英國數學家圖靈應邀來到普林斯頓高等研究院學習,成為了諾依曼的研究助手,當時圖靈提出了一種關于萬能計算機器“圖靈機”的設想,引起了諾依曼的興趣。1941年12月珍珠港事變後,美國直接參與了二戰。在戰争期間,美軍要求實驗室為其提供計算量龐大的計算結果,于是便有了研制電子計算機的設想。面對這種需求,美國立即組建研發團隊,包括許多工程師與實體學家,試圖開發全球首台計算機(後世稱作ENIAC機)。馮·諾依曼深入參與了第一台可程式設計電子計算機ENIAC的開發,在1945年,他發表了一個全新的存儲程式通用電子計算機方案——EDVAC。

在這過程中,馮·諾依曼顯示出他雄厚的數理基礎知識,充分發揮了他的顧問作用及探索問題和綜合分析的能力。馮·諾依曼以“關于EDVAC的報告草案”為題,起草了長達101頁的總結報告。這份報告廣泛而具體地介紹了制造電子計算機和程式設計的新思想,它也成為了計算機發展史上一個劃時代的文獻,同時它向世界宣告:電子計算機的時代開始了。

計算機之父、博弈論之父:馮·諾伊曼

EDVAC方案明确奠定了新機器由五個部分組成,包括:運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出裝置,并描述了這五部分的職能和互相關系。報告中,諾伊曼對EDVAC中的兩大設計思想作了進一步的論證,為計算機的設計樹立了一座裡程碑。

計算機之父、博弈論之父:馮·諾伊曼

馮·諾依曼架構涉及構成計算機的實體電子電路的組織方式,按照這種方式建構的計算機被稱為“馮·諾依曼機”。該架構由算術和邏輯單元 (ALU)、控制單元和臨時存儲器寄存器組成,它們共同構成了中央處理器 (CPU)。CPU連接配接到記憶體單元,該記憶體單元包含将要由CPU處理和操作的所有資料,此外CPU還連接配接到輸入和輸出裝置,以根據需要更改資料,并檢索運作程式的結果。自 1945 年馮諾依曼提出這一架構以來,直到今天,它基本上仍是當今大多數通用計算機的運作方式,幾乎沒有改變。

3、勤奮的研究者

馮·諾依曼的天才技能有時讓很多同僚覺得他不像是地球上的人類。

甚至有人評價馮·諾依曼是同人們長期共同生活之後,學會了怎樣出色地去模仿世人。在ENIAC計算機研制時期,有位數學家用桌上型電腦演算一道數學難題,通宵熬夜計算了一晚之後,他找到了5種解答方式。然而第二天到了辦公室後,馮·諾依曼想了差不多5分鐘,就說出了前4種解答,當他繼續思考第5個解答時,同僚忍不住說出了答案。馮·諾依曼吃了一驚,但沒有回複,過了1分鐘後,他才說道:“你算得對!”那位數學家心中充滿崇敬,卻也揶揄地想:“還造什麼計算機喲,教授的頭腦不就是一台‘超高速計算機’嗎?”不過,馮·諾依曼卻呆在原地,他在思考剛剛那位數學家到底用了什麼方法可以這麼快算出答案。其他同僚知道後,不禁大笑地說:“人家是用桌上型電腦算了整整一個夜晚!”馮·諾依曼聽到後一愣,也跟着開懷大笑起來。

計算機之父、博弈論之父:馮·諾伊曼

馮·諾依曼是天才,這是事實,但天才也出自勤奮。作為一個猶太流亡者,一個優秀的科學家,他最擔心的事就是丢掉工作。幾乎每天都工作到黎明才入睡,然後就開始勤奮地研究。而且他沒有天才的孤僻,反而很熱情奔放,他喜歡開派對,喜歡說笑話,還很喜歡兒童智力玩具。但這位聰明的天才,于1957年2月8日不幸因癌症逝世,享年54歲,可他所留下的精神财富,依舊影響着世人。

計算機之父、博弈論之父:馮·諾伊曼

馮·諾依曼的助手 P.R. Halmos 在1973年寫道:“人類的英雄有兩種:一種和我們所有人一樣,但更加相似,另一種顯然具有一些“超人”的特質。我們都可以跑步,我們中的一些人可以在不到4分鐘内跑完一英裡。但有些事,我們大多數人一輩子都無法做到。

馮·諾依曼的偉大貢獻是惠及全人類的。在某些時候,我們或多或少都能清晰地思考,但馮·諾依曼的清晰思維始終比我們大多數人高出好幾個數量級。”

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