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计算机之父、博弈论之父:冯·诺伊曼

作者:周山老照片

提起著名科学家,大众比较熟知的有爱因斯坦、霍金、钱学森等人。

计算机之父、博弈论之父:冯·诺伊曼

很多人不知道冯·诺伊曼是谁,但他对于许多计算机专业的同学来说,是神一般的存在,而且他的研究不仅涉及原子弹、计算机,还有量子力学、经济学和气候变化。有些天才用尽毕生所学,只为研究某种技术或者精神,而冯·诺依曼是少有的全才。

1、天才之天才

冯·诺伊曼出生在匈牙利一个贵族家庭之中,从小他就被大家认为是真正的神童,尤其是在数学方面。六岁时,他就会心算八位数的除法;八岁时,他已经掌握了微积分;十二岁时,他已能读懂法国数学家博雷尔的《函数论》。18岁他考进了布达佩斯大学,选修数学,同时在苏黎世联邦理工学院修读化学,并且是一次考上,由于成绩太出色,直接跳了一级,从大二开始上课。要知道,这所大学当年爱因斯坦考了两次才考上。1926年,年仅22岁的他获得苏黎世联邦工业大学化学学位,获布达佩斯大学的数学博士学位。

计算机之父、博弈论之父:冯·诺伊曼

有人说,他的大脑是台精美的“存储器”,他精通4国语言,所读过的重要论文或资料可以过目不忘,几年之后,还能照原样背诵出来。他的大脑还是一个不知疲倦的“思考器”。在他的一生中,共发表论文150篇,其中纯数学60篇、物理学20篇、应用数学60篇。他20多岁所发表的定义序数论文,就取代了祖师爷级别的康托尔的旧定义。不仅如此他后来还创立了博弈论,不仅是“计算机之父”,还是“博弈论之父”。

2、冯·诺伊曼结构

冯·诺伊曼的一生不仅涉足数学、物理和计算机三个领域,还不断变换着研究的主题,每次转向都带有开创性,还取得了惊人的成果,但最大贡献还是在计算机领域。

1936年9月,英国数学家图灵应邀来到普林斯顿高等研究院学习,成为了诺依曼的研究助手,当时图灵提出了一种关于万能计算机器“图灵机”的设想,引起了诺依曼的兴趣。1941年12月珍珠港事变后,美国直接参与了二战。在战争期间,美军要求实验室为其提供计算量庞大的计算结果,于是便有了研制电子计算机的设想。面对这种需求,美国立即组建研发团队,包括许多工程师与物理学家,试图开发全球首台计算机(后世称作ENIAC机)。冯·诺依曼深入参与了第一台可编程电子计算机ENIAC的开发,在1945年,他发表了一个全新的存储程序通用电子计算机方案——EDVAC。

在这过程中,冯·诺依曼显示出他雄厚的数理基础知识,充分发挥了他的顾问作用及探索问题和综合分析的能力。冯·诺依曼以“关于EDVAC的报告草案”为题,起草了长达101页的总结报告。这份报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想,它也成为了计算机发展史上一个划时代的文献,同时它向世界宣告:电子计算机的时代开始了。

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EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成,包括:运算器、控制器、存储器、输入和输出设备,并描述了这五部分的职能和相互关系。报告中,诺伊曼对EDVAC中的两大设计思想作了进一步的论证,为计算机的设计树立了一座里程碑。

计算机之父、博弈论之父:冯·诺伊曼

冯·诺依曼架构涉及构成计算机的物理电子电路的组织方式,按照这种方式构建的计算机被称为“冯·诺依曼机”。该架构由算术和逻辑单元 (ALU)、控制单元和临时存储器寄存器组成,它们共同构成了中央处理器 (CPU)。CPU连接到内存单元,该内存单元包含将要由CPU处理和操作的所有数据,此外CPU还连接到输入和输出设备,以根据需要更改数据,并检索运行程序的结果。自 1945 年冯诺依曼提出这一架构以来,直到今天,它基本上仍是当今大多数通用计算机的运行方式,几乎没有改变。

3、勤奋的研究者

冯·诺依曼的天才技能有时让很多同事觉得他不像是地球上的人类。

甚至有人评价冯·诺依曼是同人们长期共同生活之后,学会了怎样出色地去模仿世人。在ENIAC计算机研制时期,有位数学家用台式计算器演算一道数学难题,通宵熬夜计算了一晚之后,他找到了5种解答方式。然而第二天到了办公室后,冯·诺依曼想了差不多5分钟,就说出了前4种解答,当他继续思考第5个解答时,同事忍不住说出了答案。冯·诺依曼吃了一惊,但没有回复,过了1分钟后,他才说道:“你算得对!”那位数学家心中充满崇敬,却也揶揄地想:“还造什么计算机哟,教授的头脑不就是一台‘超高速计算机’吗?”不过,冯·诺依曼却呆在原地,他在思考刚刚那位数学家到底用了什么方法可以这么快算出答案。其他同事知道后,不禁大笑地说:“人家是用台式计算器算了整整一个夜晚!”冯·诺依曼听到后一愣,也跟着开怀大笑起来。

计算机之父、博弈论之父:冯·诺伊曼

冯·诺依曼是天才,这是事实,但天才也出自勤奋。作为一个犹太流亡者,一个优秀的科学家,他最担心的事就是丢掉工作。几乎每天都工作到黎明才入睡,然后就开始勤奋地研究。而且他没有天才的孤僻,反而很热情奔放,他喜欢开派对,喜欢说笑话,还很喜欢儿童智力玩具。但这位聪明的天才,于1957年2月8日不幸因癌症逝世,享年54岁,可他所留下的精神财富,依旧影响着世人。

计算机之父、博弈论之父:冯·诺伊曼

冯·诺依曼的助手 P.R. Halmos 在1973年写道:“人类的英雄有两种:一种和我们所有人一样,但更加相似,另一种显然具有一些“超人”的特质。我们都可以跑步,我们中的一些人可以在不到4分钟内跑完一英里。但有些事,我们大多数人一辈子都无法做到。

冯·诺依曼的伟大贡献是惠及全人类的。在某些时候,我们或多或少都能清晰地思考,但冯·诺依曼的清晰思维始终比我们大多数人高出好几个数量级。”

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