1944年8月,当第一台可编程通用计算机ENIAC正在赶着工作时,在不同领域都表现出非凡才能的冯·诺依曼应邀来访。我没想到他会皱眉头...
天才——22岁时,他成为柏林大学最年轻的教授。30岁时,他和爱因斯坦一起被高等研究院聘用
冯·诺依曼1903年出生于布达佩斯,从小就显示出了巨大的天赋。他六岁会心算八位数除法,八岁会微积分;我从来没有忘记我读过的书,我可以背一本厚厚的电话簿。22岁获得数学博士学位后,被柏林大学录用,成为该校历史上最年轻的教授。他在三年内发表了32篇数学论文。1933年,他还不到30岁,就被聘为普林斯顿高等研究院院长,并被列为与爱因斯坦等人共同创立研究院的四位学者之一。
埃克特发明的水银延迟线 埃克特发明水银延迟线
虽然埃克特发明了水银延迟线,但如何将其集成到计算机中存储程序是另一个完全不同的问题。他和莫奇认识冯·诺依曼的名字很久了,所以他们都欢迎果尔德施坦因邀请这位传奇人物担任顾问。于是冯·诺依曼在1944年9月开始密集参加小组会议,他们很快就达成共识,程序应该存储在水银延迟线中,采用二进制运算模式。
然而,军方急于将ENIAC投入运行,不允许进行任何设计更改。团队成员必须在ENIAC建成的同时设计一台全新的计算机:“电子离散变量自动计算机。
现代计算机体系结构的起源edvac报告初稿
1945年6月,冯·诺依曼和他的团队成员乘火车穿越美国回到新墨西哥州。他在火车上花了很多时间,总结了大家过去十个月的讨论,并编写了一份涵盖所有技术细节的书面报告。收到这份手稿后,戈尔茨坦立即将其打印成一份101页的正式文件,标题为“EDVAC报告初稿”。正是在这个初稿中,冯·诺依曼标志着引领现代计算机发展的架构:算术单元、控制单元、存储单元和输入/输出设备。
影响深远的《EDVAC 报告初稿》封面 EDVAC报告初稿影响深远的封面
其中最具革命性的是让所有的数据共享存储单元。在此之前,程序指令使用穿孔卡或接线和开关;计算的数据存储在存储单元中;常用功能存储在另一个存储设备中,或者由另一个读卡机制输入。
具有不同功能的资源应该用不同的组件来处理,这一直是一个自然的想法。如今,EDVAC打破了神话,将程序、数据和功能放在同一个存储单元中。此外,在程序执行过程中,可以根据计算结果修改内存地址,使得一个接一个要执行的程序可以尽可能存储在相邻的物理位置,提高访问效率。
冯·诺依曼的报告为构建现代计算机提供了基本蓝图,这与香农的硕士论文一样重要,但也造成了团队的分裂。
戈尔茨坦主动埋葬了克星,队员们分道扬镳
EDVAC是大家努力的结果。唯一真正属于冯·诺依曼个人创造力的是可变记忆地址,但戈尔茨坦在报告中将冯·诺依曼列为唯一作者,这相当于抹杀了其他团队成员的贡献。尤其令埃克特感到难以忍受的是,他很早就提出了存储程序的想法,并且他发明了水银延迟线作为存储器,但现在让·冯·诺依曼独自享受这一荣誉。
更严重的区别是,戈尔茨坦在没有得到团队成员同意的情况下,将报告分发给美国和英国的24个单位。在果尔德施坦因和冯·诺依曼看来,这和发表科学研究一样自然,更不用说它将有助于高速计算机的发展。但是对于莫奇莱和埃克特来说,他们原本是想申请相关专利的,但是现在因为冯·诺依曼的报告提前发布而被拒绝了。
在ENIAC公开之前,他们两人火速与宾夕法尼亚州立大学争夺知识产权,但双方未能达成共识。1946年3月,莫奇莱和埃克特干脆辞去教师职务,共同创办了一家计算机公司,并自行申请专利。
莫奇来与埃克特创业后开发的第一部电脑 UNIVAC I 莫奇莱和埃克特创业后,我开发的第一台计算机UNIVAC
冯·诺依曼制造了IAS机器,流程图成为编程的基本工具
第二次世界大战后,冯·诺依曼也回到了普林斯顿高等研究院。没想到,他还想得更多,打算自己造一台电脑。你知道,高级研究所是像爱因斯坦这样的科学家思考宇宙真相的地方。冯·诺依曼实际上是想在这个神圣的大厅里敲敲打打,做着与学术思想无关的粗活,让其他学者感到不光彩。
然而,冯·诺依曼生来就毫无顾忌。在他的坚持下,学校同意以高等研究院的名义建造一台“IAS机器”。在果尔德施坦因的帮助下,冯·诺依曼在1946年春天获得了军事资助,并开始招募和计划。
冯·诺依曼继续坚持传播科学的概念。在建造IAS机器的过程中,他不断提出相关技术论文,特别注明放弃专利免费运输使用。1947年出版的一份文件介绍了他们如何利用工业工程的流程图来设计IAS机器的程序。无论是用于阐明整体架构还是详细说明,这种可视化方法都更清晰、更容易理解。从此,流程图成了大家写程序的基本工具。
冯诺依曼于 1947 年发表的程序流程图 冯·诺依曼1947年出版的程序流程图
IAS机器于1952年1月正式投入使用,比EDVAC早一个月,EDVAC本可以是第一台基于冯·诺依曼架构的通用计算机。是的,由于核心成员的离开,摩尔电气工程学院直到1952年2月才让EDVAC顺利上线。EDVAC不仅落后于IAS机器,还落后于许多受EDVAC报告初稿启发的计算机,后者比它更早开始运行。有几个不是美国制造的,包括英国曼彻斯特大学的曼彻斯特宝贝和曼彻斯特一号,剑桥大学的电子延时存储自动计算器。
英国可以这么快赶上美国,但肯定不会从零开始。事实上,英国在二战期间秘密建造了计算机来破解德国代码。关键人物之一图灵甚至更早就发表了一篇极其重要的论文,像先知一样指出了计算机的能力和局限性。
提示:雷达延迟线存储器
雷达的原理是连续发射无线电波,然后将反射回来的无线电波转换成电子信号,呈现在屏幕上,从而看到目标的移动方向和距离。然而,静止的物体,比如山和云,也会反射无线电波。如果不过滤掉,屏幕上会布满光点,无法区分。
因此,无线电波反弹回来后,信号会分成两部分,一部分发送到屏幕,另一部分通过延迟线存储器发送到屏幕。如果是静止物体的反射波,由于干扰,每个信号将与之前的延迟信号抵消。只有运动物体的反射信号会呈现在屏幕上,因为它们不一致,不会相互抵消。