怀念现代电子计算机之父

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903—1957），现代电子计算机之父，世界上第一台具有现代意义的通用计算机的发明者，美籍匈牙利人，物理学家、数学家、发明家。诺依曼开创了现代计算机理论，其体系结构沿用至今，而且他早在20世纪40年代就预见了计算机建模和仿真技术，并对当代计算机产生深远的影响。

依曼的生平概述

诺伊曼，1903年生于匈牙利布达佩斯的一个犹太人家庭。诺依曼的父亲是布达佩斯的银行家，他的母亲是一位善良的妇女，贤慧温顺，受过良好的教育。

诺伊曼六岁时能心算做八位数乘除法，八岁时掌握微积分，十二岁就读懂并领会了波莱尔的大作《函数论》要义。

1914年夏天，约翰进入大学预科班学习。第一次世界大战对诺依曼的学习虽然有影响，但毕业考试时，他的成绩依然名列前茅。

1921年，诺依曼通过“成熟”考试时，已被大家当作数学家了。由于经济原因，诺依曼开始攻读化学。其后的四年间，诺依曼在布达佩斯大学注册为数学方面的学生，但不听课，只是每年按时参加考试。1926年，诺依曼在苏黎世获得了化学方面的大学学位。通过每学期期末回到布达佩斯大学的课程考试，诺依曼还获得了布达佩斯大学的数学博士学位。结束学生时代时，他已经站在数学、物理、化学某些方面的前沿地带了。

二次大战欧洲战事爆发后，诺依曼的活动越出了普林斯顿，参与了和反法西斯战争有关的多项科学研究计划。l943年起，诺依曼担任制造原子弹顾问，战后仍在政府的诸多部门和委员会中任职。1954年，诺依曼成为美国原子能委员会成员。

诺依曼多年的老友，原子能委员会主席斯特劳斯曾对他作过这样的评价：从他被任命到1955年深秋，诺依曼干得很漂亮。诺依曼有一种使人望尘莫及的能力，最困难的问题到他手里，都会被分解成一件件看起来十分简单的事情，用这种办法，他大大地促进了原子能委员会的工作。

诺依曼的健康状况一直很好，可是由于工作繁忙，1954年，他开始感到十分疲劳。1955年夏天，X射线检查出他患有癌症，但他没有停止工作，病势扩展了。1957年2月，诺依曼在医院逝世，享年53岁。

依曼的重要工作

1930～1940年，诺依曼在纯粹数学方面做了三项最重要的工作，即量子理论的数学基础、算子环理论、各态遍历定理。

1936～1940年，诺依曼发表了六篇关于非交换算子环论文，可谓20世纪分析学方面的杰作，其影响一直延伸至今。

此外，诺依曼在实变函数论、测度论、拓扑、连续群、格论等数学领域取得许多成果。1933年，他运用紧致群解决了希尔伯特的第五问题，即证明了局部欧几里得紧群是李群。

依曼的转折点

1940年，诺依曼科学生涯的转折点。在此之前，他是一位通晓物理学的登峰造极的纯粹数学家。此后，他成为一位牢固掌握纯粹数学的出神入化的应用数学家。诺依曼开始关注当时把数学应用于物理领域去的最主要工具——偏微分方程。研究同时他还不断创新，把非古典数学应用到两个新领域：对策论和电子计算机。

诺依曼的这个转变一方面来自他长期对数学物理问题的钟情；另一方面来自当时社会方面的需要。

第二次世界大战爆发后，诺依曼应召参与了许多军事科学研究计划和工程项目。

1940～1957年，任马里兰阿伯丁试验弹道研究实验室科学顾问。

1941～1955年，在华盛顿海军军械局。

1943～1955年，任洛斯·阿拉莫斯实验室顾问。

1950～1955年，任陆军特种武器设计委员会委员。

1951～1957年，任美国空军华盛顿科学顾问委员会成员。

1953～1957年，原子能技术顾问小组成员。

1954～1957年，导弹顾问委员会主席。

诺依曼研究过连续介质力学、激波问题、气象学等。

诺依曼还曾提出用聚变引爆核燃料的建议，并支持发展氢弹。1947年军队发嘉奖令，表扬他是物理学家、工程师、武器设计师和爱国主义者。

依曼与博弈论

诺依曼不仅将自己的才能用于武器研究等，还用于社会研究。1928年，诺依曼证明了博弈论的基本原理，从而宣告了博弈论的正式诞生。由他创建的对策论，无疑是他在应用数学方面取得的最为令人羡慕的杰出成就。现今，博弈论主要指研究社会现象的特定数学方法。

依曼与计算机

诺依曼对人类的最大贡献是对计算机科学、计算机技术、数值分析的开拓性工作。

现在一般认为ENIAC机是世界第一台电子计算机，它是由美国科学家研制的，于1946年2月14日在费城开始运行。其实，由汤米、费劳尔斯等英国科学家研制的“科洛萨斯”计算机比ENIAC机问世早两年多，于1944年1月10日在布莱奇利园区开始运行。ENIAC机证明电子真空技术可以大大地提高计算技术，不过，ENIAC机本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是它用布线接板进行控制，甚至要搭接几天，计算速度也被这一工作抵消了。ENIAC机研制组的莫克利和埃克特显然是发觉到了这一点，他们很快开始着手研制另一台计算机，以便改进。

诺依曼发现对于一些理论物理的研究，为了得到定性的结果，单靠解析研究也已显得不够，必须辅之以数值计算。进行手工计算或使用台式计算机所需化费的时间是令人难以容忍的，于是诺依曼劲头十足的开始从事电子计算机和计算方法的研究。他对世界上第一台电子计算机ENIAC（电子数字积分计算机）的设计提出建议，1945年3月他在共同讨论的基础上起草了ENIAC设计报告初稿，这对后来计算机的设计有决定性的影响，特别是确定计算机的结构，采用存储程序以及二进制编码等，至今仍为电子计算机设计者所遵循。

1944年，诺伊曼参加原子弹的研制工作，该工作涉及到极为困难的计算。在对原子核反应过程的研究中，要对一个反应的传播做出“是”或“否”的回答。解决这一问题通常需要通过几十亿次的数学运算和逻辑指令，尽管最终的数据并不要求十分精确，但所有的中间运算过程均不可缺少，且要尽可能保持准确。他所在的洛·斯阿拉莫斯实验室为此聘用了一百多名女计算员，利用台式计算机从早到晚计算，但还是远远不能满足需要。无穷无尽的数字和逻辑指令如同沙漠一样把人的智慧和精力吸尽。

1946年，诺依曼开始研究程序编制问题，他是现代数值分析——计算数学的缔造者之一，他首先研究线性代数和算术的数值计算，后来着重研究非线性微分方程的离散化以及稳定问题，并给出了误差估计。诺依曼协助发展了一些算法，特别是蒙特卡罗方法。

计算机工程的发展也应大大归功于诺依曼。计算机的逻辑图式，现代计算机中存储、速度、基本指令的选取以及线路之间相互作用的设计，都深深受到诺依曼思想的影响。他不仅参与了电子管元件的计算机ENIAC的研制，并且还在普林斯顿高等研究院亲自督造了一台计算机。稍前，诺依曼还和摩尔小组一起，写出了一个全新的存储程序，通用电子计算机方案EDVAC，长达l0l页的报告轰动了数学界。一向专搞理论研究的普林斯顿高等研究院也批准让诺依曼建造计算机，依据的就是这份报告。

速度超过人工计算千万倍的电子计算机，不仅极大地推动了数值分析的进展，而且还在数学分析本身的基本方面，刺激崭新方法的出现。其中，由诺依曼等制订的使用随机数处理确定性数学问题的蒙特卡洛法的蓬勃发展，就是突出的实例。

19世纪那种数学物理原理的精确的数学表述，在现代物理中似乎十分缺乏。基本粒子研究中出现的纷繁复杂的结构，令人眼花缭乱，要想很快找到数学综合理论希望还很渺茫的。单从综合角度看，且不提在处理某些偏微分方程时所遇到的分析困难，要想获得精确解希望也不大。所有这些都迫使人们去寻求能借助电子计算机来处理的新的数学模式。诺依曼为此贡献了许多天才的方法：它们大多分载在各种实验报告中。从求解偏微分方程的数值近似解，到长期天气数值预报，以至最终达到控制气候等。

在诺依曼生命的最后几年，他的思想仍然很活跃，综合早年对逻辑研究的成果和关于计算机的工作，把眼界扩展到一般自动机理论。他以特有的胆识进击最为复杂的问题：怎样使用不可靠元件去设计可靠的自动机，以及建造自己能再生产的自动机。从中，他意识到计算机和人脑机制的某些类似，这方面的研究反映在西列曼讲演中；逝世后才有人以《计算机和人脑》的名字，出了单行本。尽管这是未完成的著作，但是他对人脑和计算机系统的精确分析和比较后所得到的一些定量成果，仍不失其重要的学术价值。

被计算机所困扰的诺伊曼在一次极为偶然的机会中知道了ENIAC计算机的研制计划，从此他投身到计算机研制的这一宏伟事业中，建立了一生中最大的丰功伟绩。

1944年的一个夏天，正在火车站候车的诺伊曼巧遇戈尔斯坦，并同他进行了短暂的交谈。当时，戈尔斯坦是美国弹道实验室的军方负责人，正参与ENIAC计算机的研制工作。在交谈中，戈尔斯坦告诉了诺伊曼有关ENIAC的研制情况。具有远见卓识的诺伊曼被这一研制计划所吸引，他意识到这项工作的深远意义。

诺依曼由ENIAC机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC机研制小组后，由此便带领这批富有创新精神的年轻科技人员，向着更高的目标进军。1945年，他们在共同讨论的基础上，发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”——ENIAC（Electronic Discrete Variable AutomaticCompUter）。在这个过程中，诺依曼显示出他雄厚的数理基础知识，充分发挥了他的顾问作用及探索问题和综合分析的能力。诺伊曼以“关于ENIAC的报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告。报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。

ENIAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系。报告中，诺伊曼对ENIAC中的两大设计思想作了进一步的论证，为计算机的设计树立了一座里程碑。

设计思想之一是二进制，诺依曼根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大简化机器的逻辑线路。

实践证明了诺依曼预言的正确性。如今，逻辑代数的应用已成为设计电子计算机的重要手段，在ENIAC中采用的主要逻辑线路也一直沿用着，只是对实现逻辑线路的工程方法和逻辑电路的分析方法作了改进。

序内存

程序内存是诺伊曼的另一杰作。通过对ENIAC的考察，诺伊曼敏锐地抓住了它的最大弱点——没有真正的存储器。ENIAC只有20个暂存器，它的程序是外插型的，指令存储在计算机的其他电路中。这样，解题之前，必须先想好所需要的全部指令，通过手工把相应的电路联通。这种准备工作要花几小时甚至几天时间，而计算本身只需几分钟。计算的高速与程序的手工存在着很大的矛盾。

针对这个问题，诺伊曼提出了程序内存的思想：把运算程序存在机器的存储器中，程序设计员只需要在存储器中寻找运算指令，机器就会自行计算。这样，就不必每个问题都重新编程，从而大大加快了运算进程。这一思想标志着自动运算的实现，标志着电子计算机的成熟，已成为电子计算机设计的基本原则。

1946年7—8月，诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯在ENIAC方案的基础上，为普林斯顿大学高级研究所研制IAS计算机时，又提出了一个更加完善的设计报告《电子计算机逻辑设计初探》。以上两份既有理论又有具体设计的文件，首次在全世界掀起了一股“计算机热”，它们的综合设计思想，便是著名的“冯·诺依曼机”，其中心就是有存储程序原则——指令和数据一起存储（存储机）。这个概念被誉为“计算机发展史上的一个里程碑”。它标志着电子计算机时代的真正开始，指导着以后的计算机设计。自然一切事物总是在发展着的，随着科学技术的进步，今天人们又认识到“冯·诺依曼机”的不足，它妨碍着计算机速度的进一步提高，而提出了“非冯·诺依曼机”的设想。

诺依曼还积极参与了推广应用计算机的工作，对如何编制程序及搞数值计算都做出了杰出的贡献。诺依曼，1937年获美国数学会的波策奖；1947年获美国总统的功勋奖章、美国海军优秀公民服务奖；1956年获美国总统的自由奖章和爱因斯坦纪念奖以及费米奖。

依曼的逸闻

在ENIAC计算机研制时期，有几个数学家聚在一起切磋数学难题，百思不得某题之解。有个人决定带着台式计算器回家继续演算。次日清晨，他眼圈黑黑，面带倦容走进办公室，颇为得意地对大家炫耀说：“我从昨天晚上一直算到今天早上4点半，总算找到那个难题的五种特殊解答了。它们一个比一个更难咧！”说话间，诺依曼推门进来，“什么题更难？”虽只听到后面半句话，但一听“更难”二字便马上来了精神。听完题目，诺依曼顿时把自己该办的事抛进爪哇国里，兴致勃勃地提议道：“让我们一起算算这五种特殊的解答吧。”

大家都想见识一下诺依曼的“神算”本领，只见他眼望天花板，不言不语，迅速进到“入定” 状态。过了五分钟，就说出了前四种解答，又在沉思着第五种……青年数学家再也忍不住了，情不自禁脱口讲出答案。诺依曼吃了一惊，但没有接话茬。又过了一分钟，他才说道：“你算得对！”

那位数学家怀着崇敬的心情离去，他不无揶揄地想：“还造什么计算机哟，教授的头脑不就是一台‘超高速计算机’吗？”然而，诺依曼却呆在原地，陷入苦苦思索中，许久都不能自拔。有人轻声向他询问缘由，教授不安地回答说：“我在想，他究竟用什么方法，这么快就算出了答案。”听到此言，大家不禁哈哈大笑：“他用台式计算器算了整整一个夜晚！”诺依曼一愣，也跟着开怀大笑起来。

推荐访问： 电子计算机 之父 怀念

---