第141节：“计算机之父” 冯?诺伊曼
　　一、“计算机之父” 冯?诺伊曼①约翰?冯?诺伊曼是匈牙利犹太人，他或许是现在正在消失的一类人的最后一个实例，这类人就是能够囊括理论数学和应用数学的数学家，并和西拉德、爱德华?特勒，以及尤金?维格纳等一代匈牙利科学家，为人类做出了卓越的贡献。在数学研究领域，他对逻辑、集合论、李群、测量理论、算子环(现在称作“冯?诺伊曼代数” )、博弈论以及自动控制概念，都做出了创造性和丰富性贡献。他杰出的数学才能，不仅为计算机的诞生奠定了基础，而且还被应用在美国的政治、经济和军事的决策中。在生活中，他是一个粗心大意的司机。有一次，生病的妻子请他倒一杯开水，他却不得不问杯子放在哪儿，尽管他们同住一所房子已达17年之久。然而，在数学研究方面他却一丝不苟。他最高贵的品质，是为人耿直，忠于友谊，捍卫真理和正义。他的朋友奥本海默曾经反对制造氢弹，1954年，在麦卡锡主义时期，奥本海默被停职反省，并受到审查。此时，很多人慑于政府的强大压力，作证指控奥本海默。冯?诺伊曼挺身而出，他虽然不同意奥本海默的观点，但却出来证实他的老朋友对科学的忠诚和人品的正直，力劝人们不要对持不同政见的科学家进行折磨。奥本海默后来在书中写道:“令我最欣慰的是，在我受审查时，老朋友冯?诺伊曼对我作出了最公正的评价。” 天生就是神童1903年12月28日，约翰?冯?诺伊曼出生在匈牙利布达佩斯一个殷实的犹太人家庭里。这是一个历史上产生过著名数学家和物理学家的家庭。他的父亲是一个银行家，很受当地人尊敬，诺伊曼是3个儿子中的老大。童年的诺伊曼，高高的个子，有着一双棕褐色的、明亮的大眼睛。他个性活泼，喜欢沉思。据说幼年时的诺伊曼记忆力十分惊人，读书过目成诵，尤其表现出罕见的数学天赋，“数学神童” 一直名声在外。3岁，他就能记住不少数字。6岁，他就能心算8位数除法。8岁，他学会了微积分。他对数学的喜爱到了入迷的地步，甚至与小伙伴们一起去玩，也往往演变成对数学原理的争论。11岁上中学后，老师也对他卓越的数学天赋惊叹不已，向他父亲建议，干脆让小诺伊曼退学回家，聘请大学教授来当家庭教师。17岁时，他与老师合作发表了第一篇数学论文。年轻的诺伊曼不但聪明过人，还富于幽默感，喜欢双关语和俏皮的打油诗。上大学时，父亲要他攻读化学工程，可他已经醉心于数学天地，难以自拔。第一次世界大战对诺伊曼的冲击很大。他父亲的银行被没收了，全家人逃亡到威尼斯。1921～1923年期间，诺伊曼虽然被布达佩斯大学录取，却在柏林大学师从数学家斯米特，也常常去听爱因斯坦的讲座。诺伊曼作为全才型的天才，掌握了7种语言，并在最新的数学分支——集合论、泛函分析等理论研究中取得了突破性进展。22岁时，诺伊曼获得瑞士苏黎士联邦工业大学化学工程学位。1926年，他获得布达佩斯大学数学博士学位。此后，他转向物理领域，在理论物理领域“风光无限” 。风华正茂的诺伊曼一下子成为科学殿堂的文武全才，在数学、应用数学、物理学、博弈论和数值分析等领域都有不凡的建树。年轻的冯?诺伊曼由于才华出众，在学术界越来越引人注目。他先后游学著名的柏林大学、汉堡大学，任私人教授，并成为德国大数学家大卫?希尔伯特的得意门生。那时的美国与欧洲相比，科学水平较低，急需引进人才。1930年，美国数学泰斗韦伯伦教授广罗天下英才，邀请他来普林斯顿大学任教，诺伊曼欣然前往。不久，他又被转聘为访问教授。1933年，普林斯顿成立高级研究院，诺伊曼是其中一名最年轻的教授，爱因斯坦是他的同事。
　　第142节：“计算机之父” 冯?诺伊曼
　　由于纳粹德国迫害犹太血统的科学家，诺伊曼无法再回德国工作，因此在美国终生定居，并在1930年加入了美国国籍。1938年12月8日，他与克拉瑞?唐结婚，克拉瑞后来成为洛杉矶科学实验室的一名程序员。诺伊曼在普林斯顿大学一直工作到1955年夏，然后去原子能委员会任职。二战爆发后，他参与美国一些重大的科研项目，如著名的制造原子弹的“曼哈顿计划” 。此外，他还是“博弈论” 的发展人之一。“博弈论” 是为了能在十分复杂的博弈中取胜而制定出战略的一种数学研究，也可以作为经济或军事战略上的模式。诺伊曼曾与经济学家摩根斯坦合著过《博弈论与经济行为》一书，为运筹领域作出不可磨灭的贡献。诺伊曼拥有罕见的记忆力。对于他曾经读过的书，他能在10年之后逐一引用原书的段落和文字。20世纪40年代，他的同事曾经想考考他的记忆力，问他《双城记》是如何开头的，诺伊曼不假思索开始背诵，毫不间断。诺伊曼的天才还表现在他极其透彻的分析能力上，在最短的时间内，透过繁复芜杂的表象，单刀直入，抓住问题的核心和症结。有一次，一位优秀数学家通宵达旦，伏案完成了一项数学计算，次日见到诺伊曼，提及此事，诺伊曼仰视天花板，静默几分钟后，就得出了一模一样的结论，使所有在场的人大惊失色。诺伊曼擅长抓住理论物理中的一些显然无关的概念，把它们组成优美简洁的逻辑结构。他还拥有进行各种心算的惊人才能，思维过程极快，几乎在说话者说出头几句话后就能一下子了解对方的最后论点。以至于他的一位同事很感慨地说:“你看!冯的确不是个凡人。但在同人们长期共同生活之后，他也学会了怎样出色地去模仿世人。” 改变世界的邂逅1944年夏天，在美国东部马里兰州阿伯丁火车站站台上，诺伊曼和一位年轻的军官不期而遇，后者是美军军械部弹道实验室的赫尔曼?哥尔斯廷上尉，负责美军枪炮火力表的测试。哥尔斯廷上尉出于对诺伊曼的景仰，上前和他攀谈。数学大师和后起之秀在阿伯丁站台上的谈话非常融洽。当上尉告诉诺伊曼，目前他正从事一项科研，研制一台每秒钟能进行333次乘法运算的电子计算机时，诺伊曼顿时萌生兴趣，连连追问。刚才轻松的交谈气氛一扫而空，哥尔斯廷上尉被问得汗流浃背，用他后来的话说，“简直像一场数学博士论文的答辩” 。不久，也就是1944年8月，心有挂念的诺伊曼急匆匆赶往宾夕法尼亚大学的摩尔学院，去看哥尔斯廷上尉所讲的那台机器。20世纪30年代，电子学的发展和研制穿孔卡片式统计分析机的经验，为创立电子计算机提供了主要的技术前提。二次大战中，宾夕法尼亚大学摩尔学院电子系和阿伯丁弹道研究实验室共同负责为陆军每天提供6张火力表。任务艰难而紧迫，因为每张表都要计算几百条弹道，而一个熟练的计算员计算一条飞行时间60秒的弹道要花20个小时。尽管他们改进了微分分析仪，聘用了200多名计算员，一张火力表仍要算两三个月，问题相当严重。

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　　当时，负责该项工作的军方代表正是年轻的哥尔斯廷，他原是一位数学家。他的朋友莫齐利这时正好在摩尔学院电子系任职。1942年8月，莫齐利写出《高速电子管计算机装置的使用》的备忘录，即eniac的初始方案。思想敏捷的哥尔斯廷马上意识到方案的巨大价值，立即向他的上司汇报，获得支持，成立了研制小组。小组的成员是:负责电子计算机总设计方案的是物理学家莫齐利;芬兰人埃克特担任总工程师，负责解决制造中一系列困难复杂的工程技术问题;年轻的哥尔斯廷不仅在数学上能提出有用的建议，而且是精干的科研管理人才;另外还有年轻的逻辑学家勃克斯参加。正当研制工作停滞不前、研制者大伤脑筋时，冯?诺伊曼投身到了新型计算机设计的行列中。埃克特说:“冯?诺伊曼是否是真正的天才，从他来以后提的第一个问题就可判断出来。” 这年8月初，冯?诺伊曼来到摩尔学院，参观了尚未竣工的被称为eniac的电子计算机，他第一个问题就问起机器的逻辑结构。埃克特心中暗暗佩服:“不愧是位天才的科学家，一下就点到问题的要害!” 这以后，冯?诺伊曼就成为摩尔学院的实际顾问。当时eniac已研制到一半，正处于在程序存储问题上摇摆不定的紧急关头，天才数学家诺伊曼的出现，一下子改变了当时半梦半醒的局面。而对诺伊曼来说，这次邂逅也打开了他的心结。原来，二战爆发后，诺伊曼作为美国政府的高级科学顾问，在最高的科学技术决策层中有很强的影响力。在他参与的“曼哈顿计划” 中，原子核裂变的各项数据非常繁杂，如果用人工来计算，即使聪慧如诺伊曼，有1000个也不顶事。而那些半自动和电动的计算机器，也快不了多少。他痛感现在的计算工具速度太慢，使一些重大科研项目的进度受到严重的影响。因此，他一听说弹道实验室有个“px计划” ，要搞一台每秒能做333次乘法运算的电子计算机时，简直喜不自胜。在看过eniac后的9月份，他就成了摩尔学院的常客，与莫齐利和埃克特一同研究问题。奠定冯?诺伊曼结构eniac出现的程序存储问题，对于诺伊曼来说，真是“天将降大任于斯人也” !他的天才得到淋漓尽致的发挥。他明确指出:那种半梦半醒的折中方案不可取，要做就做到最好，一定要彻底实现程序由外存储向内存储的转化，所有程序指令必须用内在记忆的方式存储在磁带上，以电子的速度运行，因此必须大刀阔斧修改原有设计。诺伊曼还是财神爷，经费不够时，他有足够的影响力去争取。在诺伊曼的影响下，整个研制工作取得了突破性的进展，军方也信心倍增，一口气追加了10万美元的投资。

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　　而诺伊曼自己也倾注了大量的心血，他抛开美国政府高级科学顾问和著名科学家的身份，和大伙一起，一头钻进eniac研制小组，甚至当他因其他要事无法出席时，也一定会以信函的方式提出自己的意见。在此，诺伊曼提出了一个新的改进方案，一是用二进制代替十进制，进一步提高电子元件的运算速度;二是存储程序，即把程序放在计算机内部的存储器中。后一点，解决了当时计算机内外联系不便的毛病。此前，曾有过一用计算机就需要数十名精兵强将手忙脚乱地连接各种导线的景象，否则计算机只能干瞪眼不干活。而诺伊曼妙手回春，给原本健忘的计算机开了一剂灵丹妙药。他的改进方案称为edvac，是“离散变量自动电子计算机” (electronicdiscretevariablecomputer)的简称。1945年6月，他将自己的思想撰写成文，题为“关于离散变量自动电子计算机的草案” ，长达101页。他在文中提出了在数字计算机内部存储器中存放程序的概念。这是所有现代电子计算机的范式，被称为“冯?诺伊曼结构” ，按这一结构建造的电脑称为“存储程序计算机” (storedprogramcomputer)，又称为“通用计算机” 。长达101页的edvac方案是计算机发展史上的一个划时代的文献，它向世界宣告:电子计算机时代开始了。而为这个方案作出贡献的天才科学家冯?诺伊曼则被人们誉为“电子计算机之父” 。但这篇文章的出现却使得eniac的研制者——埃克特和莫齐利与诺伊曼闹翻了。原来这篇掀起了世界计算机热潮、成为划时代文献的报告，只单独署了诺伊曼的大名。诺伊曼是半道插进来的，却把辛辛苦苦做了一大半研制工作的埃克特和莫齐利抛到了脑后。这不能不让埃克特和莫齐利心存不满。再说，诺伊曼文章中提出的存储程序，莫齐利和埃克特也早有类似的想法，并在研制中不断地摸索，诺伊曼只是把它深化、概念化、系统化而已。应该说，埃克特和莫齐利是eniac真正的研制者(这一点举世公认)，他俩是第一台电脑的“产妇” ，而诺伊曼是第一台电脑的“助产士” 。现在，诺伊曼事先不打任何招呼，撇开研制小组的其他所有成员，把研制情况公之于世，好像是他的独创一样。而埃克特和莫齐利由于要遵守美国的有关保密法规，不能发表有关项目的任何内容。诺伊曼却不同，他不算eniac小组的正式成员，而且身份特殊，既是参与者，同时又是不受保密法限制的旁观者，所以尽可写文章发表。由于种种原因，诺伊曼的设想没能在eniac上实现，因为那时eniac总体设计和主体建造工程已经完成。直到1952年edvac才姗姗来到人间。早在3年前，即1949年5月6日，第一台存储程序的“诺伊曼机器” 由英国剑桥大学的莫里斯?威尔克斯研制成功，名为edsac，是机电存储自动电子计算器(electronicdelaystorageautomaticcalculator)的简称。威尔克斯仅用了一个晚上就将《关于离散变量自动电子计算机的草案》通读，并作了详尽的笔记。仿照诺伊曼提出的edvac，威尔克斯把他设计的机器命名为edsac，表明他的基本设计思想来自诺伊曼。
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　　凭着天才和敏锐，诺伊曼在电脑初创期，高屋建瓴地提出了现代计算机的理论基础，规范了电脑的发展方向。诺伊曼还是一个卓越的科研组织者。当埃克特和莫齐利与摩尔学院分道扬镳后不久，诺伊曼也离开edvac研制小组，回到普林斯顿高等研究院，在那里研制“高等研究院电脑” ，又称ias。当时有人对在20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦所在的圣地兴师动众斥巨资搞电脑很不以为然。但诺伊曼力排众议，认为电脑将会把普林斯顿大学的象牙塔推进一个新时代。当他看到高等研究院里才智不凡的青年人陷于繁复低级的数学运算时，曾痛心疾首地说:“这种浪费才智的行为简直形同犯罪。” 在他牵头下，1946年3月，ias开始研制，由普林斯顿大学出实验场地，由美国陆军军械部弹道实验室和国家原子能委员会投资。诺伊曼不存芥蒂，力邀埃克特来当技术总负责，但因埃克特已下决心与莫齐利一同创办公司，诺伊曼退而求其次，请麻省理工学院也曾参与过eniac研制的朱利安?比格罗前来主持。此时已脱下军装的哥尔斯廷也追随诺伊曼来到普林斯顿大学，做他的副手。1946年6月，设计方案出来后，诺伊曼把副本送给洛斯?阿拉莫斯实验室、伊利诺伊大学、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室和国防部的思想库兰德公司等著名的科研机构，为日后给这些机构建造用于科学计算的电脑作准备。经过6年的努力，ias在1952年6月10日正式建成，它只有2300个电子管，长6英尺(1英尺≈0.304米)、高8英尺、宽2英尺，是同期中外形最小、运算能力最强的计算机，在调试阶段，它做过一次著名的试验，24小时连轴转不间断运行60天，对当时氢弹设计中的大量关键数据进行处理，为氢弹的研制立下了汗马功劳。ias后来又复制出十几台供上述多家机构使用，这些机构又在ias的基础上，又各自研制新型电脑，如ordvac、illiac、johnnac、maniac和avidac等。其中有一台ias还漂洋过海，到澳大利亚的悉尼安家落户，名叫siuiac。凝聚着诺伊曼心血的ias简直就是一只孵了一窝小鸡的母鸡。电脑与人脑之间1951年，ibm开始决定开发商用电脑，聘请诺伊曼担任公司的科学顾问。1952年12月，ibm第一台存储程序计算机研制完成，也就是通常意义上的电脑，起名ibm701。此后，ibm公司承建的“诺克” (norc，美国海军军械研究计算机的简称)也问世了。诺伊曼参加了典礼，并发表讲话，他说电脑的设计和建造都要考虑需要、造价和商业利润诸如此类的事，这些事都是很现实的，在99%的情况都必须遵循时，还有1%的情况可算做例外。那就是把这些顾虑抛在脑后，用尽全力来研制最高级的电脑，从而臻至一种艺术的状态。诺伊曼提出的“艺术状态的电脑” 一直被理解为不惜一切代价造出来的高级电脑，或许诺伊曼也是这个意思。如果他能看到沃兹尼亚克的“苹果ⅱ型” 个人电脑的话，诺伊曼肯定会赞叹不已，也肯定会和设计者结成忘年交。只可惜，早在1957年，这位天才的数学家就去世了，而那时沃兹尼亚克刚刚牙牙学语。

　　第146节：“计算机之父” 冯?诺伊曼
　　诺伊曼后来还与经济学家摩根斯坦合写过一本名著《博弈论与经济行为》。此书与控制论有许多相通之处，很令人佩服。1943年，他们俩发起一次讨论会，邀请一些数学家、生理学家、心理学家和工程技术专家等，在普林斯顿大学讨论各门学科的交叉性问题。控制论与电脑之间究竟是一种怎样的关系？从1955年开始，诺伊曼把精力投入到电脑和人脑的结构对比研究上，心理学和生理学非他所长，因而诺伊曼是从逻辑和统计学的角度切入的。相似方面好说，可以举出一大堆，但关键是相异方面。诺伊曼特别强调，差异不仅存在于大小尺寸、速度等明显之处，而且更深入、更根本的方面表现在功能和控制的原理、总体的组织原理等等;人脑的“逻辑深度” 和“算术深度” 要比电脑小得多，但同样容积的神经元比电子元件能完成更多的运算，同时处理更多的信息，记忆容量也大得惊人，神经元运算的精度低而综合的可靠性高等。这些观点诺伊曼生前未曾发表，直到1958年他去世一年后才以《电脑和人脑》的书名出版。诺伊曼没有参加1956年达特茅斯学院那次精英的聚会，但他开创了人工智能研究中心两大学派之一数学学派，另一学派是心理学派。前者侧重电脑和人脑在解决同一问题时共同的算法，不太关心哪一个更聪明之类的问题;后者则强调人脑比电脑聪明，主张把人脑解决问题的方法变成电脑的程序，即启发式程序，并依靠它来解决问题，如与维纳合作过的罗森布鲁特就很典型，他研制过“类人电脑” ，这个“类” 字很能说明问题，而心理学派则说“电脑不是人脑” 。自20世纪60年代起，人们从两个大方向开始努力，一是创建新的程序设计语言，即所谓的“非诺伊曼语言” ;二是从电脑元件方面，提出了发明与人脑神经网络相类似的新型超大规模集成电路，即“分子芯片” 。前者侧重软件，后者侧重硬件。诺伊曼曾精辟地指出，人类的语言不是数学的语言。明斯基曾自信地说，只要人类拥有一百亿分之一米分辨率的大脑扫描仪，就可以一清二楚地了解神经元。但问题是，即使人类知道了每一个神经元，也并不意味着对整个大脑有了透彻的了解。生命是极其复杂的，不可能机械地解释它。1954年夏天，诺伊曼摔坏了右肩，手术时才发现他已患骨癌。在治疗期间，他依然参加每周三次的原子能委员会会议，甚至在他临终前，美国国防部长，陆、海、空三军参谋长还聚集在他的病榻前开会。在诺伊曼的晚年，有学生问起做事的秘诀时，他只是说:“简单。” 正是冯?诺伊曼这些“简单” 的工作，开辟了人类的电脑时代，并为犹太人开发了又一个新的赚钱领域。