Отец компьютеров
Это известная истина, которую журналисты любят преувеличивать. Преувеличение, особенно в названии, привлекает внимание читателей и побуждает их потратить несколько копеек на экземпляр газеты, бесценных для издателя. Так в свое время журналисты называли первые компьютеры? образно, но совершенно бессмысленно? “электронные мозги”; они также очень охотно давали разным людям звание «отца компьютеров».
Сегодня – об одном из таких людей. Во всяком случае, очень заслуженно и важно для истории информатики? не только для информатики, но и для математики.
Но прежде чем мы расскажем об этом? некоторые технические детали. Наверняка почти все знают, как это выглядит «внизу», на самом низком уровне «обработки». информация обрабатывается математической машиной. Это двоичные числа, конечно? то есть, по-человечески, последовательности единиц и нулей, а физически? импульсы и дефициты электрических импульсов, интерпретируемых именно как двоичные цифры. Эти двоичные числа? всем наверное понятно? это «обычные», общеизвестные числа, лишь немного отличающиеся от написанных человеческих привычек. Если машина должна выполнять? скажем операция 6+3, то десятичное число 6 он записывает как 110 (один четыре и один два), число 3? как 11 (два и один), то делает сложение в двоичном виде: 110+11=1001 и переводит результат обратно пользователю? как десятичный 9. Все понимают, что складывать легче в двоичном виде, чем в десятичном? потому что это и есть таблица сложения? проще, а физическая реализация? то есть справляться с импульсами и их недостатками? Полегче.
И как машина записывает команды сама себе, например команда добавления, использованная несколькими строками выше? Такой же ? также как последовательность нулей и единиц. Таким образом, любые две такие строки можно интерпретировать и как инструкцию, и как число. Все зависит от нашего?Контракта? с машиной; можно договориться, например, что первые 6 двоичных символов заданной последовательности нулей и единиц будут говорить, что делать (т.е. кодировать команду), а следующие символы? будет номером, на который будет ссылаться эта команда.
В самом начале, когда изобрели компьютеры, было иначе. Приказы принципиально отличались от данных, в том числе по способу технической реализации и месту их хранения? что приводило, например, к таким хлопотам, как необходимость вручную задавать соединения для каждого алгоритма расчета отдельно. Так было, например, в случае со знаменитым ENIAC. Настройка? скажем? алгоритм расчета таблиц артиллерийской стрельбы (эта машина предназначалась в основном для таких расчетов) был настоящим кошмаром, наверное, для красивых молодых программистов, которые должны были аккуратно вставлять сотни штекеров в нужные контакты, наверное, мечтая по ночам?
Между тем, идентичная запись команд и данных позволяет не только программировать «на бумаге», но и вдобавок? при принятии дополнительных конвенций? выполнение команд над записями? обычные арифметические операции. Так что может случиться так, что операция [?Добавление записи? плюс?обозначение умножения?] приведет к?делению? или «команда прыжка». Машина, рассчитывая на команды как на обычные числа, приобретает удивительную для неспециалиста способность внутренне автоматически модифицировать свои наборы команд? без какого-либо вмешательства человека, которому нужно только предвидеть соответствующую потребность?
Это был интеллектуальный прорыв в подходе к вычислительным процессам. Его реализация означала настоящее рождение современных вычислительных машин.
Интересно ? человек, придумавший эту идею, также придумал схему, по которой сегодня построен каждый компьютер. Согласно этой схеме, которая действует и сегодня, компьютер? пять технически правильно реализованных систем, называемых ВХОД, ВЫХОД, ПАМЯТЬ, АРИТМОМЕТР и УПРАВЛЕНИЕ. ВХОД используется для ввода данных и программ (сегодня это, например, клавиатура, различные считыватели и датчики, дисковод, USB-порт, к которому мы подключаем «флягу», т. е. и многие другие устройства. результаты расчетов, данные и программы хранятся в ПАМЯТИ, операции выполняются в АРИТМОМЕТРЕ, и всем этим управляет КОНТРОЛЬ.
Такое расположение пяти элементов называется архитектура Ноймана.
Архитектура фон Неймана? первый тип компьютерной архитектуры, разработанный Джоном фон Нейманом, Джоном У. Мокли и Джоном Преспером Эккертом в 1945 году. Характерной особенностью этой архитектуры является то, что данные хранятся вместе с инструкциями, что делает их закодированными одинаково.
В этой архитектуре компьютер состоит из четырех основных компонентов:
- память компьютера, в которой хранятся программные данные и программные инструкции; каждая ячейка памяти имеет уникальный идентификатор, называемый ее адресом;
- блок управления, отвечающий за выборку данных и инструкций из памяти и их последовательную обработку;
- арифметико-логическое устройство, отвечающее за выполнение основных арифметических операций;
- устройства ввода/вывода, используемые для взаимодействия с оператором.
Блок управления и арифметико-логическое устройство образуют процессор. Компьютерная система, основанная на архитектуре фон Неймана, должна:
- иметь конечный и функционально полный список заказов;
- уметь вводить программу в компьютерную систему через внешние устройства и хранить ее в памяти так же, как и данные;
- данные и инструкции в такой системе должны быть одинаково доступны процессору;
- там информация обрабатывается путем последовательного считывания инструкций из памяти компьютера и выполнения этих инструкций в процессоре.
Эти условия позволяют компьютерной системе переключаться с одной задачи (программы) на другую без физического вмешательства в структуру системы и тем самым гарантируют ее универсальность.
Компьютерная система фон Неймана не имеет отдельной памяти для хранения данных и инструкций. И инструкции, и данные кодируются числами. Без программного анализа сложно определить, содержит ли данная область памяти данные или инструкции. Исполняемая программа может модифицировать себя, трактуя область инструкций как данные, а после обработки этих инструкций? данные? начать их делать.
Компьютерную модель, использующую архитектуру фон Неймана, часто называют образцовой цифровой машиной (PMC).
И мы уже знаем имя нашего героя: это гениальный американский математик Джон фон Нейман. Названия конструкторов ENIAC есть и в Википедии, но можно не сомневаться, что основная идея исходила от фон Неймана.
Собственно, он и не американец, и не Джон, и даже не . Будущее?Отец компьютеров? родился 28 декабря 1903 года в Будапеште как Нойманн Янош Лайошпо, венгерская фамилия пишется на первом месте, во время его более позднего пребывания в Германии его звали Иоганн фон Нейман (? это прозвище, означающее дворянское происхождение на немецком языке), он стал Иоанном только в последние десятилетия своей жизни.
Он происходил из венгерской еврейской банкирской семьи, богатой? но отнюдь не благородный. Он был невероятно умным ребенком; Его биографы отмечают, например, что, когда ему было шесть лет, он мог, например, разбивать в памяти восьмизначные числа с большой скоростью. Как правило, люди, наделенные такими способностями, не только не являются гениями в математике, но даже считаются умственно отсталыми. С маленьким Яношем такого не было.
Кроме того, у мальчика была фотографическая память: ему достаточно было бросить взгляд на страницу книги, чтобы точно вспомнить ее содержание. Он посещал евангелическую гимназию в Будапеште вместе с Ойгеном Вигнером, который был на год старше (тоже позже известным). Янош был здесь исключительно одаренным учеником и очень быстро доказал свой большой математический талант? Свою первую научную математическую статью он опубликовал в 17 лет.
После окончания средней школы он учился в нескольких очень хороших европейских университетах. В 1925 году он получил степень бакалавра (эквивалентную степени бакалавра) от? химическая инженерия. Через год (!) он получил докторскую степень по математике в Будапештском университете. В 1926–1930 годах он был самым молодым доцентом Университета имени Гумбольдта в Берлине. Ему удалось полностью избежать преследований нацистов, которые? из-за их еврейского происхождения? они бы точно не пропустили. Осенью 1929 года его пригласили в США, в знаменитый Принстон, куда он отправился в 1930 году и начал исследования в местном университете. В 1932 году он опубликовал книгу () в США.
Когда нацисты пришли к власти в Германии в 1933 году, фон Нейман занял пост профессора математики в только что основанной? крайне элитарно? Институт перспективных исследований, сегодня одно из самых известных научно-исследовательских учреждений мира. Он стал здесь другом? среди прочих? самого Альберта Эйнштейна. В 1937 году он получил американское гражданство.
В биографии фон Неймана есть интересный польский акцент. Ну а после победы нацизма в Германии, перед самой войной он посетил нашу страну и встретился здесь с величайшим польским математиком Стефаном Банахом. По правде говоря, именно эта встреча и была главной целью пребывания ученого в Польше, потому что? строго конфиденциальной? он принес Банаху предложение немедленно эмигрировать в США и занять должность профессора в Принстоне. Есть анекдот, что, пытаясь заставить Банаха принять решение, он вручил ему чек с номером один, написанным на нем, со словами? Пожалуйста, добавьте столько нулей, сколько считаете нужным, любая сумма принимается заранее?
Видимо невероятно гордый и чрезвычайно блестящий, но? я считаю ? Не очень мудрый ответ Банаха был: простите меня, но разве этого недостаточно?
Джон фон Нейман не только изобрел вышеописанную компьютерную архитектуру, названную его именем (он описал ее в 1945 году в книге), и не только выступил с гениальной идеей с численной интерпретацией команд компьютера, но и внес существенный вклад в ряд? очень иногда?теоретический? ? области математики: логика, теория множеств, математический анализ. В 1944 году он написал знаменитую работу с Оскаром Моргенштерном, таким образом, также став создателем современной теории игр.
С 1943 года фон Нейман участвовал в Манхэттенском проекте, в рамках которого построил эффективно функционирующий ядерный реактор и создал первую атомную бомбу. В то время он изобрел, среди прочего первый метод практического решения гиперболических дифференциальных уравнений в частных производных.
В 1956 году фон Нейман получил премию? Американскому метеорологическому обществу за вклад в метеорологию и разработку высокоскоростных компьютеров (которые сразу же можно было применить для прогнозирования погоды) и за лидерство в создании исследовательской группы, подготовившей первый математически достоверный прогноз погоды.
Он также был фон Нейманом активным в политике. До атомной бомбардировки Японии он входил в Целевой комитет, который совместно принимал решения по выбору бомбовых целей. Фон Нейман предложил сбросить бомбу на Киото? город является важным религиозным центром японцев. Он также участвовал в проектах баллистических ракет и в проекте по созданию водородной бомбы.
В личной жизни он был веселым и дико общительным человеком. Он был дважды женат (Мариетта Ковеси и Клара Дан) и имел дочь (Марину). В его доме в Принстоне проходили знаменитые вечеринки, широко известные не только в мире науки количеством выпитого алкоголя?
Он умер от рака 8 февраля 1957 года после перенесённой хронической и мучительной болезни.
