馮 · 諾依曼 ——電子計算機(jī)之父

熟悉計算機(jī)發(fā)展歷史的人大都知道，美國科學(xué)家馮·諾依曼歷來被譽(yù)為“電子計算機(jī)之父”?？墒牵瑪?shù)學(xué)史界卻同樣堅持認(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_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，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)被證明對原子物理學(xué)的發(fā)展有極其重要的價值；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。

無論史學(xué)家怎樣評價，美籍匈牙利裔學(xué)者約翰·馮·諾依曼（John Von Neumann ， 1903-1957）都不愧為杰出的全才科學(xué)大師。人們至今還在津津樂道，這位天才人物的少年時代，竟請不到一位家庭教師……

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紙上刊登啟事，要為他11歲的孩子招聘家庭教師，聘金超過常規(guī)10倍。布達(dá)佩斯人才濟(jì)濟(jì)，可一個多月過去，居然沒有一人前往應(yīng)聘。因為這個城市里，誰都聽說過，銀行家的長子馮·諾依曼聰慧過人，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)會了微積分，其非凡的學(xué)習(xí)能力，使那些曾經(jīng)教過他的教師驚詫不已。

父親無可奈何，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·諾依曼的需要。“假如不給創(chuàng)造這孩子深造的機(jī)會，將會耽誤他的前途，”老師認(rèn)真地說道，“我可以將他推薦給一位數(shù)學(xué)教授，您看如何？”

銀行家一聽大喜過望，于是馮·諾依曼一面在學(xué)校跟班讀書，一面由布達(dá)佩斯大學(xué)教授為他“開小灶”。然而，這種狀況也沒能維持幾年，勤奮好學(xué)的中學(xué)生很快又超過了大學(xué)教授，他居然把學(xué)習(xí)的觸角伸進(jìn)了當(dāng)時最新數(shù)學(xué)分支——集合論和泛函分析，同時還閱讀了大量歷史和文學(xué)方面的書籍，并且學(xué)會了七種外語。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。

考大學(xué)前夕，匈牙利政局出現(xiàn)動蕩，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)聽課。22歲時，他獲瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)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)科的超級全才。

“機(jī)遇只偏愛有準(zhǔn)備的頭腦”。1928年，美國數(shù)學(xué)泰斗、普林斯頓高級研究院維伯倫教授 （O.Veblen）廣羅天下之英才，一封燙金的大紅聘書，寄給了柏林大學(xué)這位無薪講師，請他去美國講授“量子力學(xué)理論課”。馮·諾依曼預(yù)料到未來科學(xué)的發(fā)展中心即將西移，欣然同意赴美國任教。1930年，27歲的馮·諾依曼被提升為教授；1933年，他又與愛因斯坦一起，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，他簡直就不象是我們這個地球上的人。他們評價說：“你看，瓊尼的確不是凡人，但在同人們長期共同生活之后，他也學(xué)會了怎樣出色地去模仿世人。”馮·諾依曼的思維極快，幾乎在別人才說出頭幾句話時，就立即了解到對方最后的觀點。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。

據(jù)說有一天，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)?/span>”了10元錢。這位同事也是數(shù)學(xué)家，突然心生一計，想要捉弄一下他的朋友，于是用贏得的5元錢，購買了一本馮·諾依曼撰寫的《博奕論和經(jīng)濟(jì)行為》，并把剩下的5元貼在書的封面，以表明他“戰(zhàn)勝”了“賭博經(jīng)濟(jì)理論家”，著實使馮·諾依曼“好沒面子”。

另一則笑話發(fā)生在ENIAC計算機(jī)研制時期。 有幾個數(shù)學(xué)家聚在一起切磋數(shù)學(xué)難題，百思不得某題之解。有個人決定帶著臺式計算器回家繼續(xù)演算。次日清晨，他眼圈黑黑，面帶倦容走進(jìn)辦公室，頗為得意地對大家炫耀說：

“我從昨天晚上一直算到今晨4點半，總算找到那難題的5種特殊解答。它們一個比一個更難咧！”說話間，馮·諾依曼推門進(jìn)來，“什么題更難？”雖只聽到后面半句話，但“更難”二字使他馬上來了勁。有人把題目講給他聽，教授頓時把自己該辦的事拋在爪哇國，興致勃勃地提議道：“讓我們一起算算這5種特殊的解答吧。”

大家都想見識一下教授的“神算”本領(lǐng)。只見馮·諾依曼眼望天花板，不言不語，迅速進(jìn)到“入定” 狀態(tài)。約莫過了5分來鐘，就說出了前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，但沒有接話茬。又過了1分鐘，他才說道：“你算得對！”

那位數(shù)學(xué)家懷著崇敬的心情離去，他不無揶揄地想：“還造什么計算機(jī)喲，教授的頭腦不就是一臺‘超高速計算機(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。有人輕聲向他詢問緣由，教授不安地回答說：“我在想，他究竟用的是什么方法，這么快就算出了答案。”聽到此言，大家不禁哈哈大笑：“他用臺式計算器算了整整一個夜晚！”馮·諾依曼一愣，也跟著開懷大笑起來。

馮·諾依曼對科學(xué)做出的最大貢獻(xiàn)當(dāng)然是在計算機(jī)領(lǐng)域。

1944年仲夏的一個傍晚，戈德斯坦來到阿貝丁車站，等候去費(fèi)城的火車，突然看見前面不遠(yuǎn)處，有個熟悉的身影向他走過來。來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這次偶然的邂逅，他把早已埋藏在心中的幾個數(shù)學(xué)難題，一古腦兒倒出來，向數(shù)學(xué)大師討教。數(shù)學(xué)家和藹可親，沒有一點架子，耐心地為戈德斯坦排憂解難。聽著聽著，馮·諾依曼不覺流露出吃驚的神色，敏銳地從數(shù)學(xué)問題里，感到眼前這位青年身邊正發(fā)生著什么不尋常的事情。他開始反過來向戈德斯坦發(fā)問，直問得年輕人“好像又經(jīng)歷了一次博士論文答辯”。最后，戈德斯坦毫不隱瞞地告訴他莫爾學(xué)院的電子計算機(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的顧問，同樣的計算問題也曾使數(shù)學(xué)大師焦慮萬分。他急不可耐地向戈德斯坦表示，希望親自到莫爾學(xué)院看一看那臺尚未出世的機(jī)器。多年后，戈德斯坦回憶說：“當(dāng)瓊尼看到我們正在進(jìn)行的一件工作時，他就雙腳跳到電子計算機(jī)旁”。

莫契利和?？颂馗吲d地等待著馮·諾依曼的來訪，他們也迫切希望得到這位著名學(xué)者的指導(dǎo)，同時又有點兒懷疑。?？颂厮较聦δ趵f道：“你只要聽聽他提的第一個問題，就能判斷出馮·諾依曼是不是真正的天才”。

驕陽似火的８月，馮·諾依曼風(fēng)塵仆仆地趕到了莫爾學(xué)院的試驗基地，馬不停蹄約見攻關(guān)小組成員。莫契利想起了?？颂氐脑挘Q著耳朵聆聽數(shù)學(xué)大師的第一個問題。當(dāng)他聽到馮·諾依曼首先問及的是機(jī)器的邏輯結(jié)構(gòu)時，不由得對?？颂匦恼詹恍匾恍Γ瑑扇送瑫r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)院電子計算機(jī)攻關(guān)小組的實際顧問，與小組成員頻繁地交換意見。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)識把討論引向深入，逐步形成電子計算機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計思想。馮·諾依曼以其厚實的科技功底、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。

人們后來把“電子計算機(jī)之父”的桂冠戴在馮·諾依曼頭上，而不是第一臺電腦的兩位實際研制者，這并不是沒有根據(jù)的。莫契利和埃克特研制的ENIAC計算機(jī)獲得巨大的成功，但它最致命的缺點是程序與計算兩分離。指揮近2萬電子管“開關(guān)”工作的程序指令，被存放在機(jī)器的外部電路里。需要計算某個題目前，?？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·諾依曼就已開始準(zhǔn)備對這臺電子計算機(jī)進(jìn)行脫胎換的改造。在短短10個月里，馮·諾依曼迅速把概念變成了方案。新機(jī)器方案命名為“離散變量自動電子計算機(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)表了一篇長達(dá)101頁紙洋洋萬言的報告，即計算機(jī)史上著名的“101頁報告”。這份報告奠定了現(xiàn)代電腦體系結(jié)構(gòu)堅實的根基，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報告中， 馮·諾依曼明確規(guī)定出計算機(jī)的五大部件：運(yùn)算器CA、邏輯控制器CC、存儲器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，使結(jié)構(gòu)緊湊且更通用化。人們后來把按這一方案思想設(shè)計的機(jī)器統(tǒng)稱為“諾依曼機(jī)”。

自馮·諾依曼設(shè)計的EDVAC計算機(jī)始， 直到今天我們用“奔騰”芯片制作的多媒體計算機(jī)為止，電腦一代又一代的“傳人”，大大小小千千萬萬臺計算機(jī)，都沒能夠跳出“諾依曼機(jī)”的掌心。馮·諾依曼為現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展指明了方向，從這個意義上講，他是當(dāng)之無愧的“電子計算機(jī)之父”。當(dāng)然，隨著人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(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·諾依曼對于發(fā)展電腦做出的巨大功績，永遠(yuǎn)也不會因此而泯滅其光輝！

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，他們?yōu)槠樟炙诡D高級研究院先期研制出新的IAS計算機(jī)（IAS即高級研究院英文縮寫）。

馮·諾依曼的歸來，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，使普林斯頓高級研究院一時間成為美國電子計算機(jī)的研究中心。馮·諾依曼乘熱打鐵，著手將他那101頁計算機(jī)方案付諸實施。1951年，這臺凝聚著他多年心血的EDSAC計算機(jī)終于面世，程序儲存在機(jī)器內(nèi)部后，效率比ENIAC提高數(shù)百倍，只用了3563個電子管和1萬只晶體二極管，以1024個水銀延遲線來儲存程序和數(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)制的計算機(jī)。例如，洛斯阿拉莫斯國家實驗室研制的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，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·諾依曼還利用計算機(jī)去解決各個科學(xué)領(lǐng)域中的問題。他提出了一項用計算機(jī)預(yù)報天氣的研究計劃，構(gòu)成了今天系統(tǒng)的氣象數(shù)值預(yù)報的基礎(chǔ)；他受聘擔(dān)任IBM公司的科學(xué)顧問，幫助該公司催生出第一臺存儲程序的電腦IBM701；他對電腦與人腦的相似性懷著濃厚的興趣，準(zhǔn)備從計算機(jī)的角度研究人類的思維；他雖然沒有參加達(dá)特默斯首次人工智能會議，但他開創(chuàng)了人工智能研究領(lǐng)域的數(shù)學(xué)學(xué)派；他甚至是提出計算機(jī)程序可以復(fù)制的第一人，在半個世紀(jì)前就預(yù)言了電腦病毒的出現(xiàn)……

1957年2月8日，馮·諾依曼身患骨癌，甚至沒來得及寫完那篇關(guān)于用電腦模擬人類語言的講稿，就在美國德里醫(yī)院與世長辭，只生活了54個春秋。他一生獲得了數(shù)不清的獎項，包括兩次獲得美國總統(tǒng)獎，1994年還被追授予美國國家基礎(chǔ)科學(xué)獎。他是電腦發(fā)展史上最有影響的一代偉人。