约翰·冯·诺伊曼

约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)

匈牙利─美国数学家，电子计算机之父。

　　冯·诺伊曼是一位匈牙利─美国数学家。生于匈牙利布达佩斯，卒于美国华盛顿。父亲是犹太血统银行家。他从小就显露出数学才能，他是一个数字神童，11岁时已显示出数学天赋。12岁的诺伊曼就对集合论，泛函分析等深奥的数学领域了如指掌。早年在柏林大学（Free Universität Berlin）和苏黎世联邦工业大学学习化学，1926年取得化学工程师的资格。在此期间他自学数学，受到希尔伯特和外尔等数学家的影响。1926年获得博士学位。先后在柏林大学和汉堡大学任职。1930年应聘到普林斯顿大学任教。1933年成为普林斯顿高等研究院第一批终身教授，那时，他还不到30岁。第二次世界大战期间，担任制造原子弹的顾问，并参与电子计算器的研制工作。1954年成为美国原子能委员会委员并移居华盛顿。 冯•诺伊曼是20世纪最杰出的数学家之一，于1945年提出了“程序内存式”计算机的设计思想。这一卓越的思想为电子计算机的逻辑结构设计奠定了基础，已成为计算机设计的基本原则。由于他在计算机逻辑结构设计上的伟大贡献，他被誉为“计算机之父”。

　　冯·诺伊曼是20世纪最杰出的数学家之一，他在纯粹数学和应用数学方面都有卓越的贡献。20世纪40年代以前，他主要研究纯粹数学，在集合论、测度论、群论及算子理论等方面做出贡献。特别是在1933年解决了希尔伯特第5问题。他建立的算子环理论为量子力学奠定了数学基础。这一时期的代表作是《量子力学的数学基础》。1940年以后他转向应用数学，在力学、经济学、数值分析和电子计算器方面都有重要贡献。第二次世界大战开始后，冯．诺伊曼因战事需要研究可压缩气体运动，建立冲击波理论和湍流理论，他对非线性双曲型（无粘流体方程）引人人工粘性项的差分方法已成为现代流体计算的主导方法。这些工作发展了流体力学。他为原子弹的设计方案提出许多重要建议，在研制原子弹的过程中，他与波兰数学家乌拉姆提出蒙特卡罗法，开创统计模拟方法。1944年参与了世界上第一台电子计算器的设计，后来又陆续研究更完善的计算器，如1995年提出离散变量电子计算机（EDVAC）的设计方案等。

　　诺伊曼不仅是个数学天才，在其它领域也大有建树。他精通七种语言，在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。更为难得的是，他并不仅仅局限于纯数学上的研究，而是把数学应用到其它学科中去。他对经典力学、量子力学和流体力学的数学基础进行过深入的研究，并获得重大成果，这些都说明诺伊曼具备了坚实的数理基础，和广博的知识，为他后来从事计算机逻辑设计提供了坚强的后盾。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，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。

　　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这一宏伟的事业中，建立了一生中最大的丰功伟绩。1944年夏的一天，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，他正参与ENIAC计算机的研制工作。在交谈在，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为这一研制计划所吸引，他意识到了这项工作的深远意义。几天之后，诺伊曼专程来到莫尔学院，参观了尚未竣工的这台庞大的机器，并以其敏锐的眼光，一下子抓住了计算机的灵魂－－逻辑结构问题，令年轻的ENIAC的研制们敬佩不已。因实际工作中对计算的需要以及把数学应用到其它科学问题的强烈愿望，使诺伊曼迅速决定投身到计算机研制者的行列。对业已功成名就的诺伊曼来说，这样做需要极大的勇气，因为这是一个成败未卜的新征途，一旦失败，会影响他已取得的名誉和地位。诺伊曼却以对新事物前途的洞察力，毅然决然地向此征途迈出了第一步，于1944年8月加入莫尔计算机研制小组，为计算机研制翻开了辉煌的一页。

　　诺伊曼以其非凡的分析、综合能力及雄厚的数理基础，集众人之长，提出了一系列优秀的设计思想，在他和莫尔小组其它成员的共同努力下，只经历了短短的十个月，人类在数千年中积累起来的科学技术文明，终于结出了最激动人心的智慧之花——一个全新的存储程序通用电子计算机方案（EDVAC方案）诞生了。诺伊曼以“关于EDVAC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。报告明确规定，EDVAC计算机由计算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出五大部分组成，并阐述了这五大部分的职能和相互关系。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。

　　1954年6月，诺伊曼到美国普林斯顿高级研究所工作，出任ISA计算机研制小组的主任职位。在那时，他提出了更加完善的设计报告“电子计算装置逻辑结构初探”。报告中，诺伊曼对EDVAC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，他根据电子组件双稳工作的特点，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。实践证明了诺伊曼预言的正确性。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EDVAC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。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只在20个暂存器，它的程序是外插型的，指令存储在计算机的其它电路中。这样，解题之前，必需先相好所需的全部指令，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，程序设计员只需要云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。冯•诺伊曼为计算机的发展道路打通了一道道关卡。尽管长期以来，关于二进制的引入和程序内存的发明权一直有争议，但是，诺伊曼在计算机总体配置和逻辑设计上所做的卓越贡献掀起了一次计算机热潮。推动了电子计算机的发展。他无愧于“计算机之父”这一美称。

　　另一项重大成果是创立了对策论（GameTheory），并应用于经济领域，1944年与莫根施特恩（Morgensten）合著的《对策论与经济行为》已成为经典著作。他在病危的情形下，还研究人的神经系统与计算器的关系，未及完成而卒，以后以《计算器与人脑》刊行于世。其主要论著收集在《冯·诺伊曼全集》（6卷，1961）中。