重慶警院計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課外閱讀第1章 計(jì)算機(jī)文化與計(jì)算思維-2馮.諾依曼

1、計(jì)算機(jī)之父馮諾依曼熟悉計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史的人大都知道，美國(guó)科學(xué)家馮諾依曼歷來(lái)被譽(yù)為“電子計(jì)算機(jī)之父”?？墒?，數(shù)學(xué)史界卻同樣堅(jiān)持認(rèn)為，馮諾依曼是本世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)家之一，他在遍歷理論、拓?fù)淙豪碚摰确矫孀龀隽碎_(kāi)創(chuàng)性的工作，算子代數(shù)甚至被命名為“馮諾依曼代數(shù)”。物理學(xué)家說(shuō)，馮諾依曼在30年代撰寫的量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)被證明對(duì)原子物理學(xué)的發(fā)展有極其重要的價(jià)值；而經(jīng)濟(jì)學(xué)家則反復(fù)強(qiáng)調(diào)，馮諾依曼建立的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)橫型體系，特別是40年代出版的著作博弈論和經(jīng)濟(jì)行為，使他在經(jīng)濟(jì)學(xué)和決策科學(xué)領(lǐng)域豎起了一塊豐碑。無(wú)論史學(xué)家怎樣評(píng)價(jià)，美籍匈牙利裔學(xué)者約翰馮諾依曼（John Von Neumann ， 1903-1957）都

2、不愧為杰出的全才科學(xué)大師。人們至今還在津津樂(lè)道，這位天才人物的少年時(shí)代，竟請(qǐng)不到一位家庭教師事情發(fā)生在1931年匈牙利首都布達(dá)佩斯。一位猶太銀行家在報(bào)紙上刊登啟事，要為他11歲的孩子招聘家庭教師，聘金超過(guò)常規(guī)10倍。布達(dá)佩斯人才濟(jì)濟(jì)，可一個(gè)多月過(guò)去，居然沒(méi)有一人前往應(yīng)聘。因?yàn)檫@個(gè)城市里，誰(shuí)都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，銀行家的長(zhǎng)子馮諾依曼聰慧過(guò)人，3歲就能背誦父親帳本上的所有數(shù)字，6歲能夠心算8位數(shù)除8位數(shù)的復(fù)雜算術(shù)題，8歲學(xué)會(huì)了微積分，其非凡的學(xué)習(xí)能力，使那些曾經(jīng)教過(guò)他的教師驚詫不已。父親無(wú)可奈何，只好把馮諾依曼送進(jìn)一所正規(guī)學(xué)校就讀。不到一個(gè)學(xué)期，他班上的數(shù)學(xué)老師走進(jìn)家門，告訴銀行家自己的數(shù)學(xué)水平已遠(yuǎn)不能滿足馮

3、諾依曼的需要?！凹偃绮唤o創(chuàng)造這孩子深造的機(jī)會(huì)，將會(huì)耽誤他的前途，”老師認(rèn)真地說(shuō)道，“我可以將他推薦給一位數(shù)學(xué)教授，您看如何？”銀行家一聽(tīng)大喜過(guò)望，于是馮諾依曼一面在學(xué)校跟班讀書(shū)，一面由布達(dá)佩斯大學(xué)教授為他“開(kāi)小灶”。然而，這種狀況也沒(méi)能維持幾年，勤奮好學(xué)的中學(xué)生很快又超過(guò)了大學(xué)教授，他居然把學(xué)習(xí)的觸角伸進(jìn)了當(dāng)時(shí)最新數(shù)學(xué)分支集合論和泛函分析，同時(shí)還閱讀了大量歷史和文學(xué)方面的書(shū)籍，并且學(xué)會(huì)了七種外語(yǔ)。畢業(yè)前夕，馮諾依曼與數(shù)學(xué)教授聯(lián)名發(fā)表了他第一篇數(shù)學(xué)論文，那一年，他還不到17歲?？即髮W(xué)前夕，匈牙利政局出現(xiàn)動(dòng)蕩，馮諾依曼便浪跡歐洲各地，在柏林和瑞士一些著名的大學(xué)聽(tīng)課。22歲時(shí)，他獲瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)

4、大學(xué)化學(xué)工程師文憑。一年之后，輕而易舉摘取布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位。在柏林當(dāng)了幾年無(wú)薪講師后，他轉(zhuǎn)而攻向物理學(xué)，為量子力學(xué)研究數(shù)學(xué)模型，又使自己在理論物理學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了突出的地位。風(fēng)華正茂的馮諾依曼，靠著頑強(qiáng)的學(xué)習(xí)毅力，在科學(xué)殿堂里“橫掃千軍如卷席”，成為橫跨“數(shù)、理、化”各門學(xué)科的超級(jí)全才?！皺C(jī)遇只偏愛(ài)有準(zhǔn)備的頭腦”。1928年，美國(guó)數(shù)學(xué)泰斗、普林斯頓高級(jí)研究院維伯倫教授 （O.Veblen）廣羅天下之英才，一封燙金的大紅聘書(shū)，寄給了柏林大學(xué)這位無(wú)薪講師，請(qǐng)他去美國(guó)講授“量子力學(xué)理論課”。馮諾依曼預(yù)料到未來(lái)科學(xué)的發(fā)展中心即將西移，欣然同意赴美國(guó)任教。1930年，27歲的馮諾依曼被提升為教授；1

5、933年，他又與愛(ài)因斯坦一起，被聘為普林斯頓高等研究院第一批終身教授，而且是6名大師中最年輕的一名。在馮諾依曼的一些同事眼里，他簡(jiǎn)直就不象是我們這個(gè)地球上的人。他們?cè)u(píng)價(jià)說(shuō)：“你看，瓊尼的確不是凡人，但在同人們長(zhǎng)期共同生活之后，他也學(xué)會(huì)了怎樣出色地去模仿世人。”馮諾依曼的思維極快，幾乎在別人才說(shuō)出頭幾句話時(shí)，就立即了解到對(duì)方最后的觀點(diǎn)。天才出自于勤奮，他差不多天都工作到黎明才入睡，也常常因刻苦鉆研而神魂顛倒，鬧出些小笑話來(lái)。據(jù)說(shuō)有一天，馮諾依曼心神不定地被同事拉上了牌桌。一邊打牌，一邊還在想他的課題，狼狽不堪地“輸?shù)簟绷?0元錢。這位同事也是數(shù)學(xué)家，突然心生一計(jì)，想要捉弄一下他的朋友，于是用贏得

6、的5元錢，購(gòu)買了一本馮諾依曼撰寫的博奕論和經(jīng)濟(jì)行為，并把剩下的5元貼在書(shū)的封面，以表明他“戰(zhàn)勝”了“賭博經(jīng)濟(jì)理論家”，著實(shí)使馮諾依曼“好沒(méi)面子”。另一則笑話發(fā)生在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晨4點(diǎn)半，總算找到那難題的5種特殊解答。它們一個(gè)比一個(gè)更難咧！”說(shuō)話間，馮諾依曼推門進(jìn)來(lái)，“什么題更難？”雖只聽(tīng)到后面半句話，但“更難”二字使他馬上來(lái)了勁。有人把題目講給他聽(tīng)，教授頓時(shí)把自己該辦的事拋在爪哇國(guó)，興致勃勃地提議道：“

7、讓我們一起算算這5種特殊的解答吧?！贝蠹叶枷胍?jiàn)識(shí)一下教授的“神算”本領(lǐng)。只見(jiàn)馮諾依曼眼望天花板，不言不語(yǔ)，迅速進(jìn)到“入定” 狀態(tài)。約莫過(guò)了5分來(lái)鐘，就說(shuō)出了前4種解答，又在沉思著第5種。青年數(shù)學(xué)家再也忍不住了，情不自禁脫口講出答案。馮諾依曼吃了一驚，但沒(méi)有接話茬。又過(guò)了1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，馮諾依曼卻呆在原地，陷入苦苦的思索，許久都不能自拔。有人輕聲向他詢問(wèn)緣由，教授不安地回答說(shuō)：“我在想，他究竟用的是什么方法，這么快就算出了答案?！甭?tīng)到此言，大家不禁哈哈大笑：“他用臺(tái)式計(jì)算

8、器算了整整一個(gè)夜晚！”馮諾依曼一愣，也跟著開(kāi)懷大笑起來(lái)。馮諾依曼對(duì)科學(xué)做出的最大貢獻(xiàn)當(dāng)然是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。1944年仲夏的一個(gè)傍晚，戈德斯坦來(lái)到阿貝丁車站，等候去費(fèi)城的火車，突然看見(jiàn)前面不遠(yuǎn)處，有個(gè)熟悉的身影向他走過(guò)來(lái)。來(lái)者正是聞名世界的大數(shù)學(xué)家馮諾依曼。天賜良機(jī)，戈德斯坦感到絕不能放過(guò)這次偶然的邂逅，他把早已埋藏在心中的幾個(gè)數(shù)學(xué)難題，一古腦兒倒出來(lái)，向數(shù)學(xué)大師討教。數(shù)學(xué)家和藹可親，沒(méi)有一點(diǎn)架子，耐心地為戈德斯坦排憂解難。聽(tīng)著聽(tīng)著，馮諾依曼不覺(jué)流露出吃驚的神色，敏銳地從數(shù)學(xué)問(wèn)題里，感到眼前這位青年身邊正發(fā)生著什么不尋常的事情。他開(kāi)始反過(guò)來(lái)向戈德斯坦發(fā)問(wèn)，直問(wèn)得年輕人“好像又經(jīng)歷了一次博士論文答辯

9、”。最后，戈德斯坦毫不隱瞞地告訴他莫爾學(xué)院的電子計(jì)算機(jī)課題和目前的研究進(jìn)展。馮諾依曼真的被震驚了，隨即又感到極其興奮。從1940年起，他就是阿貝丁試炮場(chǎng)的顧問(wèn)，同樣的計(jì)算問(wèn)題也曾使數(shù)學(xué)大師焦慮萬(wàn)分。他急不可耐地向戈德斯坦表示，希望親自到莫爾學(xué)院看一看那臺(tái)尚未出世的機(jī)器。多年后，戈德斯坦回憶說(shuō)：“當(dāng)瓊尼看到我們正在進(jìn)行的一件工作時(shí)，他就雙腳跳到電子計(jì)算機(jī)旁”。莫契利和?？颂馗吲d地等待著馮諾依曼的來(lái)訪，他們也迫切希望得到這位著名學(xué)者的指導(dǎo)，同時(shí)又有點(diǎn)兒懷疑。?？颂厮较聦?duì)莫契利說(shuō)道：“你只要聽(tīng)聽(tīng)他提的第一個(gè)問(wèn)題，就能判斷出馮諾依曼是不是真正的天才”。驕陽(yáng)似火的月，馮諾依曼風(fēng)塵仆仆地趕到了莫爾學(xué)院的試

10、驗(yàn)基地，馬不停蹄約見(jiàn)攻關(guān)小組成員。莫契利想起了埃克特的話，豎著耳朵聆聽(tīng)數(shù)學(xué)大師的第一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)他聽(tīng)到馮諾依曼首先問(wèn)及的是機(jī)器的邏輯結(jié)構(gòu)時(shí)，不由得對(duì)?？颂匦恼詹恍匾恍?，兩人同時(shí)都被這位大科學(xué)家的睿智所折服！從此，馮諾依曼成為莫爾學(xué)院電子計(jì)算機(jī)攻關(guān)小組的實(shí)際顧問(wèn)，與小組成員頻繁地交換意見(jiàn)。年輕人機(jī)敏地提出各種設(shè)想，馮諾依曼則運(yùn)用他淵博的學(xué)識(shí)把討論引向深入，逐步形成電子計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。馮諾依曼以其厚實(shí)的科技功底、極強(qiáng)的綜合能力與青年們結(jié)合，極大提高了莫爾小組的整體水平，使莫爾小組成為“人才放大器”，至今依然是科學(xué)界敬慕的科研組織典范。人們后來(lái)把“電子計(jì)算機(jī)之父”的桂冠戴在馮諾依曼頭上，而不是

11、第一臺(tái)電腦的兩位實(shí)際研制者，這并不是沒(méi)有根據(jù)的。莫契利和?？颂匮兄频腅NIAC計(jì)算機(jī)獲得巨大的成功，但它最致命的缺點(diǎn)是程序與計(jì)算兩分離。指揮近2萬(wàn)電子管“開(kāi)關(guān)”工作的程序指令，被存放在機(jī)器的外部電路里。需要計(jì)算某個(gè)題目前，?？颂乇仨毰扇税褦?shù)百條線路用手接通，像電話接線員那樣工作幾小時(shí)甚至好幾天，才能進(jìn)行幾分鐘運(yùn)算。在ENIAC尚未投入運(yùn)行前， 馮諾依曼就已開(kāi)始準(zhǔn)備對(duì)這臺(tái)電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行脫胎換的改造。在短短10個(gè)月里，馮諾依曼迅速把概念變成了方案。新機(jī)器方案命名為“離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)”，英文縮寫EDVAC。1945年6月，馮諾依曼與戈德斯坦等人，聯(lián)名發(fā)表了一篇長(zhǎng)達(dá)101頁(yè)紙洋洋萬(wàn)言的報(bào)告，即計(jì)

12、算機(jī)史上著名的“101頁(yè)報(bào)告”。這份報(bào)告奠定了現(xiàn)代電腦體系結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)的根基，直到今天，仍然被認(rèn)為是現(xiàn)代電腦科學(xué)發(fā)展里程碑式的文獻(xiàn)。在EDVAC報(bào)告中， 馮諾依曼明確規(guī)定出計(jì)算機(jī)的五大部件： 運(yùn)算器CA、 邏輯控制器CC、 存儲(chǔ)器M、輸入裝置I和輸出裝置O，并描述了五大部件的功能和相互關(guān)系。與ENIAC相比，EDVAC的改進(jìn)首先在于馮諾依曼巧妙地想出“存儲(chǔ)程序”的辦法，程序也被他當(dāng)作數(shù)據(jù)存進(jìn)了機(jī)器內(nèi)部，以便電腦能自動(dòng)一條接著一條地依次執(zhí)行指令，再也不必去接通什么線路。其次，他明確提出這種機(jī)器必須采用二進(jìn)制數(shù)制，以充分發(fā)揮電子器件的工作特點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)緊湊且更通用化。人們后來(lái)把按這一方案思想設(shè)計(jì)的機(jī)器統(tǒng)

13、稱為“諾依曼機(jī)”。自馮諾依曼設(shè)計(jì)的EDVAC計(jì)算機(jī)始， 直到今天我們用“奔騰”芯片制作的多媒體計(jì)算機(jī)為止，電腦一代又一代的“傳人”，大大小小千千萬(wàn)萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)，都沒(méi)能夠跳出“諾依曼機(jī)”的掌心。馮諾依曼為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展指明了方向，從這個(gè)意義上講，他是當(dāng)之無(wú)愧的“電子計(jì)算機(jī)之父”。當(dāng)然，隨著人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，“諾依曼機(jī)”一統(tǒng)天下的格局已經(jīng)被打破，但馮諾依曼對(duì)于發(fā)展電腦做出的巨大功績(jī)，永遠(yuǎn)也不會(huì)因此而泯滅其光輝！第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，由于種種原因，ENIAC研制小組發(fā)生令人痛惜的分裂，“內(nèi)存程序”的機(jī)器無(wú)法被立即研制。馮諾依曼、戈德斯坦和勃克斯三人返回了新澤西州普林斯頓大學(xué)。1946年

14、，他們?yōu)槠樟炙诡D高級(jí)研究院先期研制出新的IAS計(jì)算機(jī)（IAS即高級(jí)研究院英文縮寫）。馮諾依曼的歸來(lái)，在普林斯頓掀起了一股強(qiáng)勁的電腦熱。一向冷冷清清的研究院沸騰了，大批專業(yè)人才仰慕他的大名，紛至沓來(lái)，使普林斯頓高級(jí)研究院一時(shí)間成為美國(guó)電子計(jì)算機(jī)的研究中心。 馮諾依曼乘熱打鐵，著手將他那101頁(yè)計(jì)算機(jī)方案付諸實(shí)施。1951年，這臺(tái)凝聚著他多年心血的EDSAC計(jì)算機(jī)終于面世，程序儲(chǔ)存在機(jī)器內(nèi)部后，效率比ENIAC提高數(shù)百倍，只用了3563個(gè)電子管和1萬(wàn)只晶體二極管，以1024個(gè)水銀延遲線來(lái)儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)，消耗電力和占地面積亦只有ENIAC的三分之一。在馮諾依曼研制ISA電腦的期間，美國(guó)涌現(xiàn)了一批按照普林斯頓大學(xué)提供的ISA照片結(jié)構(gòu)復(fù)制的計(jì)算機(jī)。例如，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的MANIAC，伊利諾斯大學(xué)制造的ILLAC。雷明頓蘭德公司科學(xué)家沃爾（W. Ware）甚至不顧馮諾依曼的反對(duì)，把他研制的機(jī)器命名為JOHNIAC（“約翰尼克” ，“約翰”即馮諾依曼的名字）。馮諾依曼的大名已經(jīng)成為現(xiàn)代電腦的代名詞。在普林斯頓，馮諾依曼還利用計(jì)算機(jī)去解決各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中的問(wèn)題。他提出了一項(xiàng)用計(jì)算機(jī)預(yù)報(bào)天氣的研究計(jì)劃，構(gòu)成了今天系統(tǒng)的氣象數(shù)值預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)；他受聘擔(dān)任IBM公司的科學(xué)顧問(wèn)，幫助該公司催生出第一臺(tái)存儲(chǔ)程序的電腦IBM 701；他對(duì)電腦與人腦