冯诺依曼计算机 电子工程师不可不知的计算机大师—冯·诺依曼！

大多数熟悉计算机发展史的人都知道，匈牙利裔美国科学家约翰·冯·诺依曼一直被称为“电子计算机之父”。数学史也坚持认为冯·诺依曼是本世纪最伟大的数学家之一。

他在遍历理论和拓扑群论方面做出了开创性的工作。算子代数甚至被命名为“冯·诺依曼代数”。物理学家说，冯·诺依曼在20世纪30年代写的《量子力学的数学基础》已经证明对原子物理的发展有很大的价值；经济学家一再强调，冯·诺伊曼建立的横向经济增长体系，特别是他在20世纪40年代出版的《博弈论与经济行为》一书，使他在经济学和决策科学领域立下了丰碑。

无论历史学家怎么评价，匈牙利裔美国学者约翰·冯·诺依曼都不愧为杰出的全面科学大师。人们仍然津津乐道的是，在他的少年时代，这个天才找不到导师...

1931年发生在匈牙利布达佩斯。一个犹太银行家在报纸上登广告，要求给他11岁的孩子请家教，工资比平时多10倍。布达佩斯人才济济，但是一个多月过去了，还没有人申请。因为这个城市的每个人都听说过，银行家的长子冯·诺依曼极其聪明。他3岁就能背完父亲账本上的所有数字，6岁就能心算出8位数除以8位数的复杂算术题，8岁就能学会微积分。他非凡的学习能力让那些教过他的老师感到惊讶。

我父亲别无选择，只能把冯·诺依曼送到正规学校。不到一个学期，班里的数学老师走进家门，告诉银行家，他的数学水平远远不能满足冯·诺依曼的需要。“如果不给这个孩子深造的机会，会耽误他的前途，”老师严肃地说。“我可以向数学教授推荐他。你怎么看？”

银行家们听了喜出望外，于是冯·诺依曼在学校上课学习，而布达佩斯大学的教授则为他“开了一个灶”。然而这种情况并没有持续几年，好学的中学生很快就超过了大学教授。他居然把学习的触角伸向了当时最新的数学分支——集合论和泛函分析，还阅读了大量的历史和文学书籍，学习了七门外语。毕业前夕，冯·诺依曼和数学教授共同发表了他的第一篇数学论文。那一年，他还不到17岁。

高考前夕，匈牙利政局动荡，冯·诺依曼游遍欧洲，在柏林和瑞士的一些著名大学听课。22岁时，他获得了瑞士苏黎世联邦理工学院的化学工程文凭。一年后，很容易就拿到了布达佩斯大学的数学博士学位。在柏林做了几年无薪讲师后，他转向物理学，研究量子力学的数学模型，并使自己在理论物理领域占据突出地位。风华正茂的冯·诺依曼，靠着自己顽强的学习毅力，在科学殿堂里“如宴席般横扫千军”，成为一名跨越“数学、科学、化学”学科的超级全才。

“机遇只青睐有准备的人”

1928年，美国数学大师、普林斯顿高等研究院教授O.Veblen给柏林大学无薪讲师发了一封镀金的聘书，请他去美国教授“量子力学理论”。冯·诺依曼预计未来科学发展的中心将很快向西移动，并欣然同意在美国教书。1930年，27岁的冯·诺依曼晋升为教授；1933年和爱因斯坦一起被聘为普林斯顿高等研究院第一批终身教授，是六位硕士中最年轻的。

在冯·诺依曼的一些同事看来，他根本不像地球上的人。他们评论说:“你看，约翰尼真的不是一个人。但和人生活久了，他也学会了如何很好地模仿这个世界。”冯·诺依曼的思维速度极快，几乎在别人说几句话的时候，就立刻知道了对方的最终观点。天才来自勤奋。他在黎明明工作了近几天才睡着。他经常被自己的努力迷住，开一些小玩笑。

据说有一天，冯·诺依曼被同事们分神了。打牌的时候，他还在想自己的题目，慌慌张张的“丢”了10块钱。这位同事也是数学家，突然有了一个捉弄朋友的计划。于是他用自己赢的5元钱买了一本冯·诺依曼写的《博弈论与经济行为》，把剩下的5元钱贴在书的封面上，以示自己“打败”了“赌博经济理论家”，这才真正让冯·诺依曼“丢脸”。

另一个笑话发生在ENIAC电脑的开发过程中。几个数学家聚在一起讨论数学难题，对某个问题的解法感到迷惑。一个男人决定把他的桌上计算器带回家，继续他的计算。第二天早上，他带着漆黑的眼睛和疲惫走进办公室，自豪地向大家炫耀:“我从昨晚数到今天凌晨4点半，终于找到了解决问题的5个特别方案。他们比一个还难！”说话间，冯·诺依曼推门走了进来。“还有什么更难的？”虽然他只听到了最后半句，“更难”这个词让他立刻感到兴奋。有人把题目告诉了他，教授马上抛出了他用Java应该做的事情，并热情地提出:“我们一起算算这五个特殊答案吧。”

大家都想看看教授的“心算”技巧。看到冯·诺依曼盯着天花板，不言不语，很快就进入了“全神贯注”的状态。过了大概五分钟，给出了前四个答案，第五个又琢磨了一下…年轻的数学家忍不住脱口而出了答案。冯·诺依曼吃了一惊，但他没有回答我们。又过了一分钟，他说:“你说得对！”

数学家带着崇敬离开了，他想:“会造出什么样的计算机？教授的脑子不是‘超高速电脑’吗？”然而冯·诺依曼却原地踏步，陷入苦思冥想，久久不能自拔。有人轻声问他为什么，教授不安地回答:“不知道他用什么方法这么快就算出答案了。”大家一听，都忍不住笑了:“他用台式计算器算了一晚上！”冯·诺依曼笑得一愣。

关于冯·诺依曼的传闻有很多，比如飞行距离，数学家胖维纳的恐惧，与计算机的算术竞赛。但这些都是老故事了。我再给大家讲一些关于冯·诺依曼的故事。有一次，意大利出生的美国物理学家西格尔和他的同事为了一个和积分有关的问题奋斗了一个下午，但是没有任何进展。这时，他们看到冯·诺依曼通过敞开的门沿着走廊向他们的办公室走来，于是他们问冯·诺依曼:“你能帮助我们解决这个积分问题吗？”困扰他们的积分问题写在了移动黑板上。冯·诺依曼走到门口，扫了一眼黑板，马上给出了答案。这时，西格尔和他的同事们完全被吓坏了，因为他们不知道冯·诺依曼是如何如此迅速地解决了这个问题。

另一个故事是这样的:当冯·诺依曼在兰德公司时，一个人想给冯·诺依曼表演“硬币问题”。什么意思？也就是说，如果有一个适当大小的粗圆柱形“肥币”，那么抛上去再掉下来之后，有1/3的可能朝上，1/3的可能对着对面朝上，1/3的可能直立在桌子上。当这个家伙向冯·诺依曼谈到这个问题时，冯·诺依曼说:“是的，真的有三种可能性。然后那个人说，“我们为什么不抛硬币呢？" !"冯·诺依曼接着计算了这枚硬币的大小和概率数据，不到一分钟就走掉了，把当时在场的工程师吓了一跳。

另一个故事是这样的:有一次，冯·诺依曼和他的同事乘两架轻型飞机去了一个地方。因为这些匈牙利人想讨论一些事情，就一起坐在飞机上。在飞行时，一位科学家的围巾被吹到了飞机的窗外。这些人立刻紧张起来，因为他们害怕围巾会被他们身后的飞机的螺旋桨卡住，这会同时摧毁这么多匈牙利智库。安全着陆后，他们幽默地描述了自己对冯·诺依曼等人的担忧:“我们在XX英尺以上，YY码之前，空气速度空为ZZ。。。"。冯·诺依曼立即引用了一个后来被证明是正确的准确数字，他说:“这条围巾击中螺旋桨的概率是百万分之一。”

请记住，关于冯·诺依曼的公式是:冯·诺依曼可以证明任何事情；冯·诺依曼证明的一切都是正确的

冯·诺依曼对科学最大的贡献当然是在计算机领域。

1944年仲夏的一个晚上，戈尔茨坦来到阿贝丁车站，等待开往费城的火车。突然，我看到一个熟悉的身影从前面不远的地方向他走来。新人是世界著名数学家冯·诺依曼。上帝给的机会，果尔德施坦因觉得他不能放弃这次偶然的相遇。他倒出几道早已埋在心里的数学题，向数学大师请教。数学家和蔼可亲，没有架子，耐心地为果尔德施坦因解决问题。冯·诺依曼听完之后，不自觉地露出了惊讶的神色，并从数学问题中敏锐地感觉到，这个年轻人周围正在发生着不寻常的事情。他开始反过来问果尔德施坦因，问年轻人“好像他们经历了另一场博士论文答辩”。最后，戈尔茨坦毫不掩饰地向他讲述了摩尔学院的计算机项目和目前的研究进展。

冯·诺依曼真的很震惊，然后极度兴奋。从1940年开始，他一直是阿贝丁火炮试验场的顾问，同样的计算问题让数学家们焦虑万分。他急切地告诉戈尔茨坦，他希望去摩尔学院看看未出生的机器。几年后，戈德斯坦回忆道，“当约翰尼看到我们正在做的工作时，他用双脚跳到了电脑前。”。

莫塞利和埃克特正愉快地等待冯·诺依曼的来访，他们渴望得到这位著名学者的指导，但同时又有些疑虑。埃克特私下对莫塞利说:“听听冯·诺依曼的第一个问题，你就能知道他是否是一个真正的天才。”。

8月，太阳热的时候，冯·诺依曼赶到摩尔学院的实验基地，与研究小组成员马不停蹄地预约。Mocelli记住了eckert的话，侧耳倾听数学大师的第一个问题。当他听到冯·诺依曼第一次问到机器的逻辑结构时，不禁对埃克特心照不宣地笑了笑，两人都被这位伟大科学家的智慧所折服！此后，冯·诺依曼成为摩尔学院电子计算机研究团队的实践顾问，并与团队成员频繁交换意见。年轻人敏捷地提出了各种想法，而冯·诺依曼用他渊博的知识把讨论引向深入，逐渐形成了电子计算机的系统设计思想。冯·诺依曼以其扎实的科技基础和强大的综合能力，结合年轻人，极大地提升了摩尔集团的整体水平，使摩尔集团成为“人才放大器”，至今仍是科学界推崇的科研组织典范。

“电子计算机之父”

人们后来把“电子计算机之父”的桂冠戴在冯·诺依曼的头上，而不是第一台计算机的两位实际开发者，这并不是没有基础的。Mocelli和eckert开发的ENIAC计算机取得了巨大的成功，但其致命的缺点是程序与计算分离。指导近两万个电子管“开关”操作的程序指令存储在机器的外部电路中，需要计算某个问题。目前，埃克特必须派人手工连接数百条线路，像电话接线员一样工作几个小时甚至几天才能操作几分钟。

在ENIAC投入运行之前，冯·诺依曼就开始为这台电子计算机的改造做准备。在短短10个月内，冯·诺依曼很快就把这个概念变成了一个计划。新的机器方案被命名为“离散变量自动电子计算机”，缩写为EDVAC。1945年6月，冯·诺依曼和果尔德施坦因共同发表了一份101页的报告，这是计算机史上著名的“101页报告”。这份报告为现代计算机体系结构奠定了坚实的基础，仍然被视为现代计算机科学发展的里程碑文件。

在EDVAC报告中，冯·诺伊曼明确定义了计算机的五个组成部分:算术单元CA、逻辑控制器CC、存储器m、输入设备I和输出设备o，并描述了这五个组成部分的功能和相互关系。与ENIAC相比，EDVAC的改进首先在于冯·诺依曼巧妙的“存储程序”方式，将程序作为数据存储在机器内部，使计算机可以自动依次执行一条条指令，无需连接任何线路。其次，他明确指出，这种机器必须采用二进制数字系统，才能充分发挥电子设备的工作特性，使结构更加紧凑和通用。人们后来把根据这一思想设计的机器称为“诺依曼机”。

从冯·诺依曼设计的EDVAC电脑，到今天奔腾芯片制造的多媒体电脑，电脑一代一代传下来，千千成千上万的大大小小的电脑都没能跳出诺依曼机器的手掌。冯·诺依曼为现代计算机的发展指明了方向。从这个意义上说，他不愧为“电子计算机之父”。当然，随着人工智能和神经网络计算机的发展，“诺依曼机”称霸全国的格局已经被打破，但冯·诺依曼对计算机发展的巨大贡献永远不会失去光彩！

第二次世界大战结束后，由于种种原因，ENIAC研究团队遭受了可悲的分裂，“记忆程序”的机器无法立即开发出来。冯·诺依曼、戈尔茨坦和伯克回到了新泽西州的普林斯顿大学。1946年，他们提前为普林斯顿高等研究院开发了一种新的IAS计算机。

冯·诺依曼的回归在普林斯顿引发了一股强烈的计算机热潮。一直冷清的研究所沸腾了，大批专业人士仰慕他的名字，使得普林斯顿高等研究院成为美国电子计算机的研究中心。冯·诺依曼利用这一难题，着手将他的101页计算机计划付诸实践。1951年，这台凝聚了他多年心血的EDSAC电脑终于问世了。程序存入机器后，效率比ENIAC高了几百倍。只用了3，563个灯管和10，000个晶体二极管，用了1，024个水银延迟线存储程序和数据，只消耗了ENIAC三分之一的功率和占用面积。

在冯·诺依曼开发ISA计算机的过程中，美国出现了一批按照普林斯顿大学提供的ISA照片结构复制的计算机。比如洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的MANIAC，伊利诺伊大学制造的ILLAC，雷明顿兰德公司的科学家W. Ware，甚至不顾冯·诺依曼的反对，将他开发的机器命名为JOHNIAC。冯·诺依曼的名字已经成为现代计算机的代名词。

在普林斯顿，冯·诺依曼还利用计算机解决各种科学领域的问题。他提出了用计算机预报天气的研究计划，构成了今天系统的气象数值预报的基础；他被聘为IBM的科学顾问，帮助公司诞生了第一台计算机IBM 701存储程序；他对计算机和人脑的相似性很感兴趣，准备从计算机的角度研究人类思维。虽然他没有参加达特茅斯的第一次人工智能会议，但他在人工智能研究领域创建了一个数学学派。他甚至是第一个提出计算机程序可以复制的人。半个世纪前，他预言了计算机病毒的出现...

1957年2月8日，冯·诺依曼因患骨癌，甚至还没来得及讲完用计算机模拟人类语言的讲座，就在美国德里医院去世了。他只活了54年。他一生中获得了许多奖项，包括两次美国总统奖，并于1994年获得国家基础科学奖。他是计算机发展史上最有影响力的一代伟人。

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