馮·諾伊曼：電子計(jì)算機(jī)之父

天生就是神童

1903年12月28日，馮·諾依曼出生于匈牙利布達(dá)佩斯一個(gè)殷實(shí)的猶太人家庭里。這個(gè)家庭歷史上曾走出過一些著名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。他的父親是一個(gè)銀行家，很受當(dāng)?shù)厝俗鹁?，諾依曼是三個(gè)兒子中的老大。童年的諾依曼，高高的個(gè)子，一雙棕褐色的明亮的大眼睛。他個(gè)性活潑，喜歡沉思。據(jù)說幼年時(shí)的諾依曼記憶力十分驚人，讀書過目成誦。尤其是表現(xiàn)出罕見的數(shù)學(xué)天才，“數(shù)學(xué)神童”的名聲一直傳揚(yáng)在外。神童般的幼年預(yù)示著他將來必成大器，歲月果然證實(shí)了這點(diǎn)。

3歲，他就能記住不少數(shù)字。6歲，他就能心算8位數(shù)除法。8歲，他學(xué)會(huì)了微積。他對(duì)數(shù)學(xué)的喜愛到了入迷的地步。據(jù)說有一次，他看到母親停下手中的鉤針盯著前方某點(diǎn)沉思，就問：“您在計(jì)算什么？”甚至與小伙伴們一起去玩，往往演變成對(duì)數(shù)學(xué)原理的爭論。11歲上中學(xué)后，老師也對(duì)他卓越的數(shù)學(xué)天賦驚嘆不已，向他父親建議，干脆讓小諾依曼退學(xué)回家，聘請(qǐng)大學(xué)教授來當(dāng)家庭教師。1 7歲時(shí)，他與老師合作發(fā)表了第一篇數(shù)學(xué)論文。年輕的諾依曼不但聰明過人，還富于幽默感，愛好雙關(guān)語和俏皮的打油詩。上大學(xué)時(shí)，父親要他攻讀化學(xué)工程，可他已經(jīng)醉心于數(shù)學(xué)天地，難以自拔。

第一次世界大戰(zhàn)對(duì)諾依曼的沖擊很大。他父親的銀行被沒收了，全家人逃亡到威尼斯。1921年到1923年期間，諾依曼雖然被布達(dá)佩斯大學(xué)錄取，卻在柏林大學(xué)師從數(shù)學(xué)家斯米特，也常常去聽愛因斯坦的講座。諾依曼作為全才型的天才，掌握了7種語言，并在最新的數(shù)學(xué)分支——集合論、泛函分析等理論研究中取得突破性進(jìn)展。22歲時(shí)，諾依曼獲得瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)位。1926年，獲得布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位。此后，他轉(zhuǎn)向物理領(lǐng)域，在理論物理領(lǐng)域“風(fēng)光無限”。風(fēng)華正茂的諾依曼一下子成為科學(xué)殿堂的“文武全才”，在數(shù)學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、博弈論和數(shù)值分析等領(lǐng)域都有不凡的建樹。

年輕的馮·諾依曼由于才華出眾，在學(xué)術(shù)界越來越引人注目了。他先后游學(xué)著名的柏林大學(xué)、漢堡大學(xué)，任私人教授。并成為德國大數(shù)學(xué)家大衛(wèi)·希爾伯特的得意門生。那時(shí)的美國與歐洲相比，科學(xué)水平較低，急需引進(jìn)人才。

1930年，美國數(shù)學(xué)泰斗韋伯倫教授廣羅天下英才，邀請(qǐng)他來普林斯頓大學(xué)任教，諾依曼欣然前往，登上一艘小型的丘納德船，橫渡大西洋，應(yīng)邀到美國普林斯頓大學(xué)擔(dān)任客座講師。不久，又被轉(zhuǎn)聘為訪問教授。1933年，普林斯頓成立高級(jí)研究院，諾依曼是其中最年輕的教授，本世紀(jì)最著名的科學(xué)家愛因斯坦是他的同事。

神人的神奇之處

由于納粹德國迫害猶太血統(tǒng)的科學(xué)家，諾依曼無法再回德國工作，因此在美國終生定居，在1930年加入了美國籍。1938年12月8日，他與克拉瑞·唐結(jié)婚，克拉瑞后來成為洛杉磯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一名程序員。諾依曼在普林斯頓大學(xué)一直工作到1955年夏，然后去原子能委員會(huì)任職。

二戰(zhàn)爆發(fā)后，他參與美國一些重大的科研項(xiàng)目，如著名的制造原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”。此外，他還是“博弈論”的發(fā)展人之一?！安┺恼摗笔菫榱四茉谑謴?fù)雜的博弈中取勝而制定出戰(zhàn)略的一種數(shù)學(xué)研究，也可以作為經(jīng)濟(jì)或軍事戰(zhàn)略上的模式。諾依曼曾與經(jīng)濟(jì)學(xué)家摩根斯特恩合著過《博弈論與經(jīng)濟(jì)行為》一書，為運(yùn)籌領(lǐng)域做出不可磨滅的貢獻(xiàn)。

諾依曼擁有罕見的記憶力。對(duì)于他曾經(jīng)讀過的書，他能在10年之后逐一引用原書的段落和文字。20世紀(jì)40年代，他的同事曾經(jīng)想考考他的記憶力，問他《雙城記》是如何開頭的，諾依曼不假思索地開始背誦，毫不間斷、無比流利地進(jìn)行到被叫停，一共持續(xù)了10分鐘。諾依曼的天才還表現(xiàn)在他極其透徹的分析能力上，在最短的時(shí)間內(nèi)，透過繁復(fù)蕪雜的現(xiàn)象，單刀直入，抓住問題的核心和癥結(jié)。

有一次， 一位優(yōu)秀數(shù)學(xué)家通宵達(dá)旦，伏案完成了一項(xiàng)數(shù)學(xué)計(jì)算。次日見到諾依曼，提及此事，諾依曼仰視天花板，靜默幾分鐘后，就得出了一模一樣的結(jié)論，使所有在場的人大驚失色。諾依曼擅長抓住理論物理中的一些顯然無關(guān)的概念，把它們組成優(yōu)美簡潔的邏輯結(jié)構(gòu)。他還擁有進(jìn)行各種心算的驚人才能，思維過程極快，幾乎在說話者說出頭幾句話后就能一下子了解對(duì)方的最后論點(diǎn)。以至于他的一位同事很感慨地說：“你看！馮的確不是個(gè)凡人。但在同人們長期共同生活之后，他也學(xué)會(huì)了怎樣出色地去模仿世人?！?/p>

諾依曼長著橢圓形的面孔，前額高聳，身材矮胖，講一口流利帶有外國口音的英語，語速很快。他衣著講究，經(jīng)常穿著馬甲，兜里插著手絹，扣上外衣扣子。熱衷于各種小裝置，也愛好復(fù)雜的玩具。他是一個(gè)工作狂，常常不解決問題決不停手，有時(shí)靈感突至，夜里也會(huì)爬起來。諾依曼食量驚人，在洛斯阿拉莫斯時(shí)，常常驅(qū)車120英里去一家墨西哥餐館飽餐一頓。他對(duì)工作之外的東西都漫不經(jīng)心。

有一次，他正在病中的妻子請(qǐng)他倒杯水，諾依曼不得不問杯子放在哪，那時(shí)他已經(jīng)在這個(gè)屋子里住了17年。諾依曼對(duì)他的車子也同樣粗心大意，幾乎每年都報(bào)廢一輛車子。

改變世界的邂逅

1944年夏天，美國東部的馬里蘭州阿伯丁火車站站臺(tái)上，諾依曼和一位年輕的軍官不期而遇，后者是美軍軍械部彈道實(shí)驗(yàn)室的赫爾曼·哥爾斯廷上尉，負(fù)責(zé)美軍槍炮火力表的測試。哥爾斯廷上尉出于對(duì)諾依曼的景仰，上前和他攀談。數(shù)學(xué)大師和后起之秀在阿伯丁站臺(tái)上的談話非常融洽。當(dāng)上尉告訴諾依曼，目前他正從事一項(xiàng)科研，研制一臺(tái)每秒鐘能進(jìn)行333次乘法運(yùn)算的電子計(jì)算機(jī)時(shí)，諾依曼頓時(shí)萌生興趣，連連追問。剛才輕松的交談氣氛一掃而空，哥爾斯廷被問得汗流浹背，用他后來的話說，“簡直像一場數(shù)學(xué)博士論文的答辯”。不久，也就是1944年8月，心有掛念的諾依曼急匆匆趕往賓夕法尼亞大學(xué)的摩爾學(xué)院，去看哥爾斯廷上尉所講的那臺(tái)機(jī)器。

20世紀(jì)30年代，電子學(xué)的發(fā)展和研制穿孔卡片式統(tǒng)計(jì)分析機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，為創(chuàng)立電子計(jì)算機(jī)提供了主要的技術(shù)前提。二次大戰(zhàn)中，賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院電子系和阿伯丁彈道研究實(shí)驗(yàn)室共同負(fù)責(zé)為陸軍每天提供6張火力表。任務(wù)艱難而緊迫。因?yàn)槊繌埍矶家?jì)算幾百條彈道，而一個(gè)熟練的計(jì)算員計(jì)算一條飛行時(shí)間60秒的彈道要花20小時(shí)。盡管他們改進(jìn)了微分分析儀，聘用了200多名計(jì)算員，一張火力表仍要算兩三個(gè)月，問題相當(dāng)嚴(yán)重。

當(dāng)時(shí)，負(fù)責(zé)該項(xiàng)工作的軍方代表正是年輕的哥爾斯廷，他原是一位數(shù)學(xué)家。他的朋友莫齊利這時(shí)正好在莫爾學(xué)院電子系任職。1942年8月，莫齊利寫出《高速電子管計(jì)算機(jī)裝置的使用》的備忘錄，即ENIAC的初始方案。思想敏捷的哥爾斯廷馬上意識(shí)到方案的巨大價(jià)值，立即向他的上司匯報(bào)，獲得支持，成立了研制小組。

小組的成員是：負(fù)責(zé)電子計(jì)算機(jī)總設(shè)計(jì)方案的物理學(xué)家莫齊利；芬蘭人艾

克特?fù)?dān)任總工程師，負(fù)責(zé)解決制造中一系列困難復(fù)雜的工程技術(shù)問題；年輕的哥爾斯廷不僅在數(shù)學(xué)上能提出有用的建議，而且是精干的科研管理人才；另外還有年輕的邏輯學(xué)家勃克斯。正當(dāng)研制工作停滯不前、研制者大傷腦筋時(shí)，馮·諾依曼恰逢其時(shí)，投身到新型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的行列中。

艾克特說：“馮·諾依曼是否真正的天才，從他來以后提的第一個(gè)問題就可判斷出來?！?944年8月初，馮·諾依曼來到莫爾學(xué)院，參觀了尚未竣工的被稱為ENIAC的電子計(jì)算機(jī)，他第一個(gè)問題就問起機(jī)器的邏輯結(jié)構(gòu)。艾克特心中暗暗佩服：“不愧是位天才的科學(xué)家，一下就點(diǎn)到問題的要害！”這以后，馮·諾依曼就成為莫爾學(xué)院的實(shí)際顧問。

當(dāng)時(shí)“愛尼亞克”（ENIAC）已研制到一半，正處于在程序存儲(chǔ)問題上搖擺不定的緊急關(guān)頭，天才數(shù)學(xué)家諾依曼的出現(xiàn)，一下子改變了當(dāng)時(shí)半夢半醒的局面。而對(duì)諾依曼來說，這次邂逅也打開了他的心結(jié)。原來，二戰(zhàn)爆發(fā)后，諾依曼作為美國政府的高級(jí)科學(xué)顧問，在最高的科學(xué)技術(shù)決策層中有很強(qiáng)的影響力。在他參與的“曼哈頓計(jì)劃”中，原子核裂變的各項(xiàng)數(shù)據(jù)非常繁雜，如果用人工來計(jì)算，即便聰慧如諾依曼，有1000個(gè)也不頂事。而那些半自動(dòng)和電動(dòng)的計(jì)算機(jī)器，也快不了多少。他痛感現(xiàn)有的計(jì)算工具速度太慢，使一些重大科研項(xiàng)目的進(jìn)度受到嚴(yán)重的影響。因此，他一聽說彈道實(shí)驗(yàn)室有個(gè)“PX計(jì)劃”，要搞一臺(tái)每秒能做333次乘法運(yùn)算的電子計(jì)算機(jī)時(shí)，簡直喜不勝喜。在看過“愛尼亞克”后的1944年9月，他就成了摩爾學(xué)院的?？停c莫齊利和艾克特一同研究問題。

奠定馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

“愛尼亞克”出現(xiàn)的程序存儲(chǔ)問題，對(duì)于諾依曼來說，真是“天將降大任于斯人也”！他的天才得到淋漓盡致的發(fā)揮，明確指出：那種半夢半醒的折衷方案不可取，要做就做到最好，一定要徹底實(shí)現(xiàn)程序由外存儲(chǔ)向內(nèi)存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)化，所有程序指令必須用內(nèi)在記憶的方式存儲(chǔ)在磁帶上，以電子的速度運(yùn)行。必須大刀闊斧修改原有設(shè)計(jì)。諾依曼還是位財(cái)神爺，經(jīng)費(fèi)不夠，他有足夠的影響力去爭取。在諾依曼的影響下，整個(gè)研制工作取得了突破性的進(jìn)展，軍方也信心倍增，一口氣追加了10萬美元的投資。

而諾依曼自己也傾注了大量的心血，拋開美國政府高級(jí)科學(xué)顧問和著名科學(xué)家的身份，和大伙一起，一頭鉆進(jìn)“愛尼亞克”研制小組，甚至當(dāng)他因其他要事無法出席時(shí)，一定會(huì)以信函的方式提出自己的意見。在此，諾依曼提出了一個(gè)新的改進(jìn)方案，一是用二進(jìn)制代替十進(jìn)制，進(jìn)一步提高電子元件的運(yùn)算速度；二是存儲(chǔ)程序（StoredProgram），即把程序放在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中。后一點(diǎn)，解決了當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)外聯(lián)系不便的毛病。

此前，一用計(jì)算機(jī)就需要數(shù)十名精兵強(qiáng)將手忙腳亂地連接各種導(dǎo)線，否則計(jì)算機(jī)只能干瞪眼不干活。而諾依曼妙手回春，給原本健忘的計(jì)算機(jī)開了一副靈丹妙藥。他的改進(jìn)方案稱為“愛達(dá)法克”（EDVAC），是“離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)”（Electronic DiscreteVariable Computer）的簡稱。

1945年6月，他將自己的思想撰寫成文，題為《關(guān)于離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)的草案》，長達(dá)101頁，提出了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中存放程序的概念（Stored Program Concept）。這是所有現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的范式，被稱為“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”，按這一結(jié)構(gòu)建造的電腦稱為存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)（StoredProgram Computer），又稱為通用計(jì)算機(jī)。長達(dá)101頁的EDVAC方案是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的文獻(xiàn)，它向世界宣告：電子計(jì)算機(jī)時(shí)代開始了。而為這個(gè)方案做出貢獻(xiàn)的天才科學(xué)家馮·諾依曼則被人們譽(yù)為“電子計(jì)算機(jī)之父”。

但這篇文章的出現(xiàn)卻使得“愛尼亞克”的研制者——艾克特和莫齊利與諾依曼鬧翻了。原來這篇掀起了世界的計(jì)算機(jī)熱潮，成為劃時(shí)代文獻(xiàn)的報(bào)告，只單獨(dú)署了諾依曼的大名。諾依曼是半道插進(jìn)來的，卻把辛辛苦苦做了一大半研制工作的艾克特和莫齊利拋到了腦后。這不能不讓艾克特和莫齊利心存不滿。

再說，諾依曼文章提出的存儲(chǔ)程序，莫齊利和艾克特也早有類似的想法，并在研制中不斷地摸索，諾依曼只是把它深化、概念化、系統(tǒng)化而已。應(yīng)該說，艾克特和莫齊利是“愛尼亞克”真正研制者（這一點(diǎn)舉世公認(rèn)），他倆是第一臺(tái)電腦的產(chǎn)婦，而諾依曼是第一臺(tái)電腦的助產(chǎn)士?，F(xiàn)在，諾依曼事先不打任何招呼，撇開研制小組的其他所有成員，把研制情況公諸于世，好像是他的獨(dú)創(chuàng)一樣。而艾克特和莫齊利由于要遵守美國的有關(guān)保密法規(guī)，不能發(fā)表有關(guān)項(xiàng)目的任何內(nèi)容。諾依曼卻不同，他不能算“愛尼亞克”小組的正式成員，而且身份特殊，算作參與者同時(shí)又是不受保密法限制的旁觀者，所以盡可寫文章發(fā)表。

造計(jì)算機(jī)就像母雞下蛋

由于種種原因，諾依曼的設(shè)想沒能在“愛尼亞克”上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟菚r(shí)“愛尼亞克”總體設(shè)計(jì)和主體建造工程已經(jīng)完成。直到1952年“愛達(dá)法克”（EDVAC）才姍姍來到人間。早在三年前，也即1949年5月6日，第一臺(tái)存儲(chǔ)程序的“諾依曼機(jī)器”由英國劍橋大學(xué)的莫里斯·威爾克斯研制成功，名為“愛達(dá)賽克”（EDSAC），是英文ElectronicDelay Storage Automatic Calculator的簡稱。威爾克斯僅用了一個(gè)晚上就將《關(guān)于離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)的草案》通讀，并做了詳盡的筆記。仿照諾依曼提出的“離散變量自動(dòng)電子計(jì)算器”（EDVAC），威爾克斯把他的設(shè)計(jì)的機(jī)器命名為“機(jī)電存儲(chǔ)自動(dòng)電子計(jì)算器”，簡稱“愛達(dá)賽克”（EDSAC），表明他的基本設(shè)計(jì)思想來自諾依曼。

憑他的天才和敏銳，諾依曼在電腦初創(chuàng)期，高屋建瓴地提出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)，規(guī)范了電腦的發(fā)展方向。諾依曼還是一個(gè)卓越的科研組織者。當(dāng)艾克特和莫齊利與摩爾學(xué)院分道揚(yáng)鑣后不久，諾依曼也離開他提出的“愛達(dá)法克”（EDVAC）研制小組，回到普林斯頓高等研究院，在那里研制名為“高等研究院電腦”，又稱“阿艾斯機(jī)”（IAS）。當(dāng)時(shí)有人對(duì)在20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家愛因斯坦所在的圣地，興師動(dòng)眾斥巨資搞電腦，很不以為然。但諾依曼力排眾議，認(rèn)為電腦將會(huì)把普林斯頓大學(xué)的象牙塔推進(jìn)一個(gè)新時(shí)代。當(dāng)他看到高等研究院里才智不凡的青年人陷于繁煩低級(jí)的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)，曾痛心疾首地說：“這種浪拋才智的行為簡直形同犯罪。”

在他牽頭下，1946年3月，“阿艾斯機(jī)”開始研制，由普林斯頓大學(xué)出實(shí)驗(yàn)場地，由美國陸軍軍械部彈道實(shí)驗(yàn)室和國家原子能委員會(huì)投資。諾依曼不存芥蒂，力邀艾克特來作技術(shù)總負(fù)責(zé)，但因艾克特已下決心與莫齊利一同創(chuàng)辦公司，未能如愿。諾依曼退而求其次，請(qǐng)麻省理工學(xué)院的也曾參與過“愛尼亞克”研制的朱利安·比格羅前來主持。此時(shí)已脫下軍裝的哥爾斯廷也追隨諾依曼來到普林斯頓大學(xué)，做他的副手。1946年6月，設(shè)計(jì)方案出來后，諾依曼把副本送給洛斯·阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室、伊利安諾大學(xué)、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和國防部的思想庫蘭德公司等著名的科研機(jī)構(gòu)，為日后給這些機(jī)構(gòu)構(gòu)造用于科學(xué)計(jì)算的電腦做準(zhǔn)備。經(jīng)過6年的努力，“阿艾斯機(jī)”在1952年6月10日正式建成，它只有2300個(gè)電子管，長6英尺、高8英尺、寬2英尺，是同期中外型最小的、而運(yùn)算能力最強(qiáng)的，在調(diào)試階段，做過一次著名的試驗(yàn)，每日24小時(shí)連軸轉(zhuǎn)不間斷運(yùn)行60天，對(duì)當(dāng)時(shí)氫彈設(shè)計(jì)中的大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為氫彈的研制立下汗馬功勞。

“阿艾斯機(jī)”后來又復(fù)制十多臺(tái)供上述多家機(jī)構(gòu)使用，這些機(jī)構(gòu)又在“阿艾斯機(jī)”的基礎(chǔ)上，各自研制新型電腦，如“奧達(dá)法克”（ORDVAC）、“ 伊利亞克”（ILLIAC）、“喬尼亞克”（JOHNNAC）、“曼尼亞克”（MANIAC）和“ 愛維達(dá)克”（AVIDAC）等。其中有一臺(tái)“ 阿艾斯機(jī)” 還漂洋過海， 到澳大利亞的悉尼安家落戶， 名叫“ 西利亞克”（SIUIAC）。凝聚著諾依曼心血的“阿艾斯機(jī)”簡直就是一只孵了一窩小雞的母雞。