Джон фон Нейман и принципы построения ЭВМ

Яркая математическая одарённость фон Неймана, проявилась ещё на школьной скамье. По свидетельству одноклассников, он в школьные годы мог часами с увлечением говорить на математические темы. На протяжении всей жизни он любил поражать друзей и учеников своей способностью производить в уме сложные вычисления. Он делал это быстрее всех, вооруженных ...

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 2
1. НАЧАЛО ПУТИ 3
2. НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ УЧЕНОГО 7
3. НА КАКИХ ПРИНЦИПАХ ПОСТРОЕНЫ КОМПЬЮТЕРЫ? 10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 13
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 14

ВВЕДЕНИЕ
Создание ЭВМ в середине XX века без преувеличения можно отнести к числу самых выдающихся достижений в истории человечества. Они значительно расширили интеллектуальные возможности человека за сравнительно короткий срок (немногим более 40 лет) превратились в один из определяющих факторов научно-технического прогресса. Многие крупные научно-технические проекты нашего времени, например, атомная энергетика, космические исследования, глобальные экологические проблемы, не могли бы развиваться без использования ЭВМ.

Творческая атмосфера университета, беседы и сотрудничество с активно работающими («настоящими») математиками, благожелательное внимание со стороны Фейера сыграли в формировании фон Неймана-математика не меньшую роль, чем штудирование университетских курсов. К моменту получения аттестата зрелости Янош фон Нейман пользовался в математических кругах установившейся репутацией молодого дарования редкостной силы. Его первая печатная работа (написанная совместно с М. Фекете) «О расположении нулей некоторых минимальных полиномов» вышла в свет, когда её автору едва минуло 18 лет.
По окончании гимназии перед фон Нейманом, так же как и перед его сверстниками, встал важный вопрос: «Кем быть?» Однако для Яноша фон Неймана этот вопрос имел несколько иное значение, чем для других выпускников гимназий. Для юноши со столь незаурядными способностями и рано определившимися интересами речь шла не о выборе призвания, ибо этот выбор был предрешен заранее. Речь шла о выборе профессии, способной удовлетворить не столько чаяниям сына, сколько критериям отца: профессию математика Макс фон Нейман не считал достаточно «надёжной», способной обеспечить будущее своего первенца, и настоял, чтобы тот приобрёл более «земную» профессию инженера-химика. Разумеется, Янош, вкусивший первые радости математического творчества, принявший посвящение (хотя и неформальное) в математики, не мог представить себе жизнь без занятия любимой наукой. На семейном совете было решено, что Янош поступит в Федеральную высшую техническую школу в Цюрихе, где будет изучать химию, и одновременно на математический факультет Будапештского университета.
Необычный это был студент! Академические свободы и, в частности, вольное посещение лекций он трактовал весьма своеобразным способом: появлялся в Будапеште лишь в конце семестра, чтобы сдать очередные экзамены, и уезжал в Цюрих или в Берлин, но отнюдь не для того, чтобы углублённо изучать химию, призванную по замыслу отца снискать ему хлеб насущный. Основная часть времени уходила на подготовку к печати своих работ, беседы с коллегами-математиками (отсутствие диплома у талантливого юноши, разумеется, не мешало им называть его своим коллегой), посещение семинаров.
Требования, которые предъявлял к себе фон Нейман, были неизмеримо выше официальных требований к студентам и соискателям учёных степеней. В 1925 г. он без видимого напряжения получает диплом инженера-химика в Цюрихе и успешно защищает диссертацию «Аксиоматическое построение теории множеств» на звание доктора философии в Будапештском университете. Воля отца выполнена, и отныне математика безраздельно завладевает всеми его мыслями.
Не обременённый академическими обязанностями, молодой доктор отправляется совершенствовать свои знания в Мекку математиков и физиков того времени — Гёттингенский университет. В то время читали лекции люди, чьи имена стали гордостью науки: Ф. Клейн, К. Рунге, Э. Ландау, Д. Гильберт, Э. Цермело, Г. Вейль, Г. Минковский, М. Борн, Ф. Франк. Такого созвездия знаменитостей не было ни в одном другом университете мира.
Для фон Неймана исключительное значение имело общение с одним из крупнейших математиков современности Давидом Гильбертом. Интерес фон Неймана к проблемам аксиоматики теории множеств, проявившийся в выборе темы докторской диссертации, позволил ему легко найти общий язык с главой гёттингенского Математического института. Из общения с Гильбертом и, в частности, из работы в знаменитом гильбертовском «Семинаре о материи» фон Нейман вынес весьма важное для себя заключение: математика не должна ограничиваться ролью поставщика решений различных задач, возникающих в естественных науках; наоборот, естествознание должно стать неисчерпаемым источником постановок новых чисто математических проблем.
Именно в Гёттингене фон Нейман познакомился с идеями зарождавшейся тогда квантовой механики. Проблемы математического обоснования нового раздела физики захватили фон Неймана. Вслед за статьей «Об основаниях квантовой механики», написанной совместно с Д. Гильбертом и Л. Нордгеймом, в знаменитых гёттингенских Nachrichten появляется серия работ фон Неймана «Математическое обоснование квантовой механики», «Теоретико-вероятностное построение квантовой механики» и «Термодинамика квантовомеханических систем».
В 1927 г. фон Нейман становится приват-доцентом Берлинского, а с 1929 г. — Гамбургского университета.
2. НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ УЧЕНОГО
Период с 1927 по 1929 г. в жизни фон Неймана знаменателен не только «продвижением по службе». Именно в эти годы фон Нейман выполнил основополагающие работы трёх больших циклов: по теории множеств, теории игр и математическому обоснованию квантовой механики. Первая работа фон Неймана по аксиоматической теории множеств вышла в свет в 1923 г. Она называлась «К введению трансфинитных ординальных чисел» и была опубликована в трудах Сегедского университета. Система аксиом фон Неймана принадлежит к числу высших достижений современной теории множеств. Её исследованию, усовершенствованию и применениям посвящены многочисленные работы. Интерес фон Неймана к теории множеств не угасал и в последующие годы.
Весьма важным для дальнейшего развития математики оказался и второй «цикл», состоящий из одной-единственной работы «К теории стратегических игр», опубликованной в 1928 г. Давно уже ставшая классической и породившая огромное количество литературы, эта работа содержала доказательство знаменитой теоремы о минимаксе, ставшей краеугольным камнем возникшей гораздо позже теории игр. Доказанная фон Нейманом теорема утверждает, что для любой конечной игры (двух игроков) с нулевой суммой существует «устойчивая» пара стратегий, для которых минимальный проигрыш одного игрока совпадает с максимальным выигрышем другого. Устойчивость стратегий означает, что каждый из игроков, отклоняясь от оптимальной стратегии, лишь ухудшает свои шансы и, внемля голосу рассудка, предпочитает вернуться к оптимальной стратегии.
Фон Нейман обладал не только виртуозной математической техникой, позволявшей ему без видимых усилий преодолевать трудности и добиваться успеха там, где отступали другие, но и редкой среди математиков способностью воспринимать новые физические идеи. Особенно ярко сочетание этих необычных свойств проявилось в третьем цикле работ, выполненных фон Нейманом всё в тот же сказочный по широте тематики и продуктивности период с 1927 по 1929 г. — в математическом обосновании квантовой механики. Героический период становления новой отрасли физики совпал с расцветом творческой активности одного из выдающихся математиков современности лишь по счастливой случайности, но то, что новая теория, едва возникнув, привлекла внимание фон Неймана, было вполне закономерно. Фон Нейман, чьи взгляды на необходимость и плодотворность союза математики и естествознания ныне широко известны, фон Нейман, который, по свидетельству С. Улама, и в зрелые годы неоднократно выражал озабоченность тем, что математика держится в стороне от экспоненциального роста проблем и идей в физических науках, фон Нейман, жаждавший восстановить престиж и ведущую роль математики в формировании мышления современного физика-теоретика, не мог предоставить другим выполнить то, к чему он был призван всеми особенностями своего таланта.
Интерес фон Неймана к компьютерам в какой-то степени связан с его участием в сверхсекретном Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы, который разрабатывался в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико. Там фон Нейман математически доказал осуществимость взрывного способа детонации атомной бомбы.
Однако фон Нейман понимал, что компьютер это не больше, чем простой калькулятор, что - по крайней мере, потенциально – он представляет собой универсальный инструмент для научных исследований.
Первая электронная вычислительная машина была построена в 1943–1946 гг. в школе инженеров-электриков Мура Пенсильванского университета и получила название ЭНИАК (по первым буквам английского названия машины — электронный цифровой интегратор и вычислитель). Фон Нейман сразу же распознал возможности, заложенные в этой машине, и понял, как их можно использовать более оптимальным образом.
В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.
В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
В создании следующей машины ЭДВАК (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными), построенной также в школе Мура, фон Нейман принял гораздо более активное участие. Он не только разработал подробную логическую схему машины, в которой структурными единицами были не физические элементы цепей, а идеализированные вычислительные элементы, но и предложил ряд инженерных решений. Использование идеализированных вычислительных элементов было важным шагом вперёд: оно позволило отделить создание принципиальной логической схемы от её технического воплощения. Планы фон Неймана не долго оставались на бумаге. Задуманная им машина была построена под руководством Дж. Бигелоу в Институте высших исследований. Её логическую схему разработали Беркс, Голдстайн и фон Нейман. Машина Института высших исследований приобрела широкую известность под названием ДЖОНИАК — в честь фон Неймана. Её логические и схемные решения послужили прототипами при создании вычислительных машин в Иллинойсском университете, Национальных лабораторий Лос-Аламоса, Аргонна, Окриджа, корпорации РЭНД. Именно ДЖОНИАК позволил осуществить важные расчёты при создании водородной бомбы, превосходившие по своему объему всё, что когда-либо было сосчитано человечеством.