馮諾依曼是計算機的奠基人煌珊，現在的計算機能力已經有了極大的提升站故，人工智能的能力使人們開始恐懼区宇，然而娃殖，計算機的基本框架很大程度上仍停留在馮·諾依曼逝世時的水平，基礎運作方式并沒有發(fā)生本質改變议谷。

喬治·戴森在《圖靈的大教堂：數字宇宙開啟智能時代》一書中炉爆，詳細描述了馮諾依曼如何思考、設計卧晓、制造計算機的過程叶洞，至今看來依然值得學習、深思禀崖。

馮諾依曼其人

馮諾依曼是什么人衩辟？他被父親送去學化學，卻成為了頂尖的數學家波附，游走于數學家艺晴、物理學家、氣象學家掸屡、天文學家封寞、電子工程師等各種知識領域的頂尖天才之間，是天才中的天才仅财。

天才有什么樣的特點狈究？他的朋友圈是這樣膜拜的。

“無論你從哪種角度看盏求，他似乎總屬于異類抖锥。純數學家聲稱亿眠，他是一名理論物理學家；理論物理學家將他看作應用數學方面的顧問磅废，認為他在這方面提供了很大的幫助纳像；應用數學家驚嘆于這樣一位純凈和象牙塔式的數學家會對應用問題如此感興趣；我懷疑拯勉，某些政界人士可能一直都把他看作實驗物理學家竟趾，甚至是工程師」停”

經濟學家保羅·薩繆爾森說：“馮·諾依曼如驚鴻掠影般走進了我們的領域岔帽，從那以后該領域就發(fā)生了翻天覆地的變化抖拦∷疲”他偶然的進入了經濟學領域，就徹底的改變了這個領域氓辣。

“他有一種在數學家中間也許比較罕見的能力诵次，他能夠和物理學家交談账蓉，理解他們的語言，并且?guī)缀踉谒查g就可轉換成數學家的方案和表達式逾一。接著铸本，在解決這個問題之后，他又可以將它轉換回物理學家常用的表達式遵堵∠溏瑁”

他能夠拆解任何問題，然后將之重新組合陌宿，使答案呈現為顯而易見的結果锡足。他能將大問題分解為極小的細節(jié)，他還可以把極小的細節(jié)組合成具有任意指定屬性的大問題壳坪。這就是約翰尼的能耐舶得，再無其他人可以做到∷”

“約翰尼最典型的特征是對萬事萬物無止境的好奇心和難以抑制的求知欲沐批，他迫不及待地去認識和了解任何問題，不論難易高下蝎亚，”克拉拉回憶說九孩，“凡是引他發(fā)問的東西，他都不會放過发框；他會生悶氣躺彬，板著臉，感覺難受，直到找到了至少讓自己滿意的正解宪拥》乱埃”

馮·諾依曼的第一版手稿可以直接發(fā)表，甚至數學證明也是如此江解。“如果一個主題在我的頭腦中醞釀‘成熟’徙歼，我就寫得相當流暢犁河、迅速，”

“馮·諾依曼是最偉大的數學藝術家之一魄梯，”戈德斯坦說桨螺，“對他來說，僅僅證明出一個結果是不夠的酿秸，還必須體現優(yōu)雅和精致的作風灭翔。”

海軍少將劉易斯·斯特勞斯所說辣苏，“馮·諾依曼能夠抓住最困難的問題肝箱，條分縷析，于是一切都顯得簡單明了稀蟋，而我們所有人都驚訝于自己為什么不能像他那樣層次分明煌张、洞悉答案”。

他會被“不可能”的問題所吸引退客，預測天氣骏融、了解大腦、解釋經濟萌狂，以及用不可靠的部件構建可靠的計算機档玻。“本著簡單的益智精神考慮最重要的問題茫藏，這是他的驕傲误趴，”克拉拉說，“就好像他在挑戰(zhàn)世界給他提出的任何難題务傲、任何問題冤留，然后用秒表計時，看看他能多么迅速树灶、機敏纤怒、輕松地解決它們√焱ǎ”

“某些時候泊窘，我們或多或少都可以做到思路清晰，”匈牙利籍美國數學家保羅·哈爾莫斯說，“但是馮·諾依曼思路的清晰度比我們大多數人要高出幾個數量級烘豹，而且他能始終保持思路清晰瓜贾。”他擁有計算和邏輯智能携悯，“他敬佩甚至嫉妒那些擁有互補品質的人祭芦，他們閃現的非理性直覺有時可以改變科學發(fā)展的方向°竟恚”

“他無法將非常優(yōu)秀的人和不太優(yōu)秀的人區(qū)分開來龟劲，”博特補充道，“我猜在他面前轴或，他們都顯得慢很多昌跌。”

很幸運有這樣的天才把我們引入計算機時代照雁，用數學的思維賦予計算機如此強大的通用能力蚕愤。很不幸他英年早逝，帶走了天才所能創(chuàng)造的無限可能性饺蚊。

馮諾依曼對計算機的思考

馮·諾依曼是匈牙利人萍诱，在二戰(zhàn)的陰云下，離開了歐洲污呼，帶著對納粹不可原諒的仇恨砂沛、對俄國人日益加深的不信任，以及決心從此不再讓自由世界在軍事上陷入弱勢地位的想法曙求，因為它迫使人們向希特勒妥協碍庵，同時德國這個戰(zhàn)爭機器的實力也得以增強。

馮諾依曼積極參與美國軍方武器研制的過程静浴，ENIAC是第一臺通用電子計算機，他首度參觀ENIAC的時間是1944年8月（按照戈德斯坦的說法）或9月（按照凹方ィ克特和莫齊利的說法）。戈德斯坦說：“那一瞬間改變了他的余生浴麻。”他把自己巨大熱情和天賦投入到計算機研制和運用的事業(yè)中软免。

1945年6月30日，《關于離散變量自動電子計算機的草案》經油印復印膏萧，由莫爾學院限量發(fā)行漓骚，其中描述了高速存儲程序的電子數字計算機設計的輪廓蝌衔，包括編碼指令的必要陳述和解釋：“必須給出該設備詳盡的細節(jié)◎蝓澹”這臺計算機的功能元件分為一個分層存儲器噩斟、一個控制元件、一個中央運算器孤个，以及輸入/輸出通道剃允，這種結構今天仍然被稱為“馮·諾依曼體系結構”。一個快速內存儲器耦合一個更大的輔助存儲器齐鲤，并依次與無限多的穿孔卡片或無限長度的紙帶連接斥废，就能產生圖靈所規(guī)定的無限存儲空間。內存和處理器之間單一通道的障礙被稱為“馮·諾依曼瓶頸”佳遂，馮·諾依曼一開始就曾嘗試解決這個問題营袜，不過并未成功撒顿。

馮·諾依曼主張丑罪，“推動近似和計算數學（涉及因數為1萬或更大）發(fā)展的重要性，不僅在于人們可能因此節(jié)省1萬倍的時間凤壁，或者說吩屹，數值增大100倍卻只需要現在1/100的時間，而且在于人們將能夠解決目前看來完全解決不了的問題拧抖∶核眩”

他想制造一臺高速全自動通用電子計算機，這臺機器可以回答人們想問的任何問題唧席。

很多頂尖機構都想爭奪馮諾依曼去制造計算機擦盾，最終普林斯頓拔得頭籌。馮諾依曼在普林斯頓高等研究院搭建團隊建設MANIAC計算機淌哟。

馮·諾依曼的目標是構建一臺以電子速度運行的通用圖靈機迹卢，其核心就是一個32×32×40位矩陣的高速隨機存取內存——這也是迄今為止，所有數字化設備的核心所在徒仓「睿“隨機存取”意味著所有單個存儲單元共同構成了計算機的內在“靈魂”，并且可以隨時同步進行訪問掉弛≈⒓“高速”意味著內存能夠以光速而非聲速進行存取訪問。正是這一限制的消除殃饿，才使得通用圖靈機的能力得以釋放出來谋作。否則，它只是一個不切實際的構想乎芳。

在那個年代业栅，半導體技術尚未發(fā)明碘裕，各種電子元器件的可靠性都很差攒钳，難以輸出穩(wěn)定的結果。設計方面文兢，工程思路方面姆坚，馮諾依曼依然給出了巨大的幫助实愚。

他于1951年創(chuàng)作了《不可靠元件構成的可靠組織》腊敲，以及于1952年創(chuàng)作了《由不可靠元件構建可靠系統的概率邏輯》。

馮諾依曼依給了我們一個忠告：莫為天下先懂昂。這有助于讓高等研究院的項目處于領先地位没宾⊙ィ“我們團隊取得成功，并領先別人一大步原探，其中一個原因是我們設定了若干有限的目標咽弦，即我們不會生產任何新的組件胁出，”畢格羅補充道，“我們會嘗試并使用那些可用于標準通信目的的組件闹蒜。我們選擇的真空管為大規(guī)模生產且很常見的類型，這樣我們就有希望得到可靠的組件姥闪，而不必進行組件的研究筐喳『恚”

“約翰尼過去每周都會和我們單獨見一次，詢問我們完成了什么梳毙、如何作業(yè)账锹、面臨什么問題蔑担、觀察到什么癥狀咽白、診斷出什么原因晶框，”羅森伯格說，“每一個問題恰恰都是基于他迄今為止所發(fā)掘的信息而做出的最好的提問蹲蒲。他的邏輯完美無缺侵贵，他從來沒有問過無關緊要或錯誤的問題窍育。他的問題就像機關槍掃射一樣，展示了他閃電般的快速且無差錯的思維表锻。只要大約一小時瞬逊，他就讓我們每個人清楚了自己已經完成的工作、遭遇到的問題确镊，以及從何處尋找問題的原因蕾域。這就像用明亮的鏡子照東西，排除所有不必要的影像廓块，只留下重要的細節(jié)带猴⌒竿颍”

馮諾依曼在思考計算機的時候，就考慮到對程序員的背景要求口予。他沒有數學基礎的夫人就成為程序員先驅沪停，為核武器模擬做了大量優(yōu)秀工作裳涛《巳克拉拉回憶道，“他也想看看對這一領域經驗很少或者完全沒有經驗的人妻献，會怎樣使用這種做數學的新方法团赁。在這個實驗中然痊，他需要一個實驗對象，最好是數學白癡锹引，符合這一條件的理想對象無疑近在咫尺，那就是我吨艇√谏叮”

在計算機系統日趨完善的時候，馮諾依曼推動把計算機相關技術公開的公用領域疮跑，沒有應用專利進行保護祖娘，全世界都可以免費復制啊奄。在報告中菇夸，不但描述是什么，還討論了為什么鞠眉。

1947年6月凡蚜，戈德斯坦吭从、伯克斯和馮·諾依曼宣誓作證：“這是我們的意圖和愿望恶迈，其中包含的可能具有專利性質的任何材料都將在公共領域予以公布暇仲。”MANIAC及其程序的所有技術細節(jié)都在公共領域被公布全度，全世界都可以免費復制将鸵。一系列進展報告被公之于眾，其中包含了清晰的思想和技術細節(jié)的模型顶掉。據圖靈戰(zhàn)時的助理杰克·古德（I.JackGood）稱痒筒，“這些報告的顯著特點是他們賦予了每個設計決策明晰的理由，這一特點在后來的作品中很少見”移袍。

馮諾依曼在計算機研制過程中起到了什么作用咐容？再看看他的朋友圈是怎么說的蚂维。

“馮·諾依曼非常深刻地理解這一點，”畢格羅證實說蔚约，“所以苹祟，審視ENIAC或者早期一些結構非常僵化的機器時评雌，他比任何人都清醒地看到景东，這只是第一步，之后還會有很大的進步搔涝∽剩”畢格羅說派阱，“馮·諾依曼的貢獻是帶來了這樣不可動搖的信心：‘干吧，其他都沒什么大不了的文兑，讓它以這樣的速度和性能運行彩届，其余的只是一大堆廢話≈簦’實際上吓懈，正是基于那種信念靡狞，我們憑著6個人和一份預算說干就干”。

馮·諾依曼的做法是把少數幾位工程師引入數學家的地盤甘穿，這使得這個項目擺脫了來自工程師方面的任何制約梢杭，因為一個既定的工程師團隊會對如何建造計算機抱有預先存在的想法∥淦酰“我們是傳教士，”畢格羅說届垫，“我們的使命是生產一臺機器全释，它會展示高速計算的效用》危”

1976年糟袁，畢格羅總結道：“一長串不可能的偶然事件的發(fā)生项戴，讓我們參與其中周叮。我們大多擁有著樸素的愿望，都勤奮工作仿耽、無私奉獻项贺。因為我們當時相信并且知道，這件事只發(fā)生在少數的地方棕叫，能參與其中是我們的幸運奕删。我們之所以肯定，是因為馮·諾依曼清除了我們思想中的蜘蛛網伏钠，再沒有人能做到這一點贝润。計算能力的浪潮即將爆發(fā)铝宵，它淹沒科學和其他許多領域的一切事物，世界將為之一新尊蚁『崤螅”

馮諾依曼想用計算機做什么百拓？

馮·諾依曼對建造計算機沒有太大的興趣，他更感興趣的是計算機能夠做什么决帖。他想到了數理生物學地回、數學天文學和地球科學刻像。

“20世紀50年代初期的某一天，我谷羞、馮·諾依曼和其他幾個人站在普林斯頓電子計算機工程大樓外面溜徙，”約瑟夫·司馬格林斯基回憶說萌京，“約翰尼抬頭看著局部多云的天空說道：‘你們覺得我們能預測那個嗎？’”

馮·諾依曼指出：“預測天氣的數學問題屬于可以解決的一類靠瞎，也應該得到解決乏盐，因為最顯眼的氣象現象發(fā)源于不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的情況，通過釋放一定的能量父能，可以控制或至少可以引導這些情況净神【槲ǎ”

馮·諾依曼和佐利金提出，不僅要制造計算機黔酥，還要打造遍及全球的計算機網絡跪者∠ㄇ螅“有了足夠數量的這類機器（隨意地提到了100），就可以設立區(qū)域站點柜蜈，這有可能實現世界各地的天氣預測指巡≡逖”

馮·諾依曼把問題劃分為三種情況：第一種為短期，天氣情況更多地取決于初始條件指煎，而非后續(xù)的能量輸入與耗散至壤。通過充分的觀測枢纠，以及足夠的計算晋渺，就可以做出短期預測（時間跨度大約為幾天到一周）木西。第二種為中期八千，時間超過一周，初始條件所產生的影響和能量輸入與耗散所產生的影響逐步分化照皆，預測大氣的行為變得非常困難纵寝，甚至完全不可能星立。第三種為長期绰垂，“大氣很快就忘記了它初始的樣子，”湯普森說道劲装，“其行為幾乎完全由每天的能量輸入與耗散的綜合影響來主宰昌简〈渴辏”對這些輸入與耗散有了足夠的認識后犬金，預測氣候（而不是天氣）在計算方面就不難處理了晚顷。

1953年该默，有5組不同的問題在MANIAC上運行策彤，根據不同的時間尺度，它們分別是：（1）核爆炸叽赊，以微秒為單位必搞；（2）沖擊和爆炸波恕洲，從微秒到分鐘霜第；（3）氣象學葛家，從幾分鐘到數年；（4）生物進化泌类，從數年到數百萬年癞谒；（5）恒星演化，從數百萬年到數十億年刃榨。所有這一切都在5千字節(jié)的存儲器中運行弹砚。

馮諾依曼對機器的自動復制有著強烈的興趣，并對生物世界的復制進行了同樣深入的思考和比較枢希。

在發(fā)現生物體的繁殖是如何通過編碼DNA的指令串來協調的前夕桌吃，馮·諾依曼強調復雜生物體要在一個嘈雜的、不可預知的環(huán)境中生存下來苞轿，必須定期采用數字糾錯碼復制自己的最新副本茅诱。補充逗物。“如果每一個錯誤都需要找出蹂安、解釋和糾正畜号，那么生物體的復雜性系統就無法存活，哪怕1毫秒痹升，”

自動機能制造出和本身復雜度相當或者更高的后代嗎艺配？馮·諾依曼解釋說：“低級的‘復雜性’可能是退化性的，即每一個可以制造其他自動機的自動機只能產生較不復雜的自動機麦轰。然而喳坠，存在一定程度的復雜性剃幌，超過這一水平脊凰。如果對合成現象進行適當安排，就會發(fā)生爆炸性的變化朝捆。換句話說脸秽，自動機的合成可以通過這樣一種方式進行：每個自動機將產生比自身更為復雜、更具潛力的自動機巩剖』薮叮”

在他生前最后一次站著演講。“我們能做的最好的事情就是將所有流程區(qū)分開來赊琳，看哪些適合由機器完成呈枉，哪些適合由人類完成，”他建議說，“然后找到促成機器和人類完成使命的方法名党∨菲。”

如果馮·諾依曼活得久一些店印，就有可能將注意力轉移到基因代碼上來炫贤，不過在生命快要走到盡頭的時候询吴，他關注了在大腦中處理信息的問題苹粟。 “馮·諾依曼最后為即將到來的耶魯大學西利曼紀念講座準備的手稿未能完成苛秕，只是以最低限度粗略地描繪了他計劃思考的東西”。克拉拉對這份手稿做了編輯囤萤，在他去世后，以《計算機與人腦》一書出版滚婉。馮·諾依曼試圖解釋兩個系統之間的差異锥余，第一個差異就是我們近乎了解電子計算機中發(fā)生的一切淹辞，但是對人腦卻幾乎一無所知。

2016-05-18 廣州