Д фон нейман: Нейман, Джон фон — это… Что такое Нейман, Джон фон?

Нейман, Джон фон — это… Что такое Нейман, Джон фон?

В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Нейман.

Джон фон Не́йман (англ. John von Neumann; или Иоганн фон Нейман, нем. Johann von Neumann; при рождении Я́нош Ла́йош Не́йман, венг. Neumann János Lajos; 28 декабря 1903, Будапешт — 8 февраля 1957, Вашингтон) — венгеро-американский математик еврейского происхождения, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки.

Наиболее известен как праотец современной архитектуры компьютеров (так называемая архитектура фон Неймана), применением теории операторов к квантовой механике (алгебра фон Неймана), а также как участник Манхэттенского проекта и как создатель теории игр и концепции клеточных автоматов.

Биография

Янош Лайош Нейман родился старшим из трёх сыновей в состоятельной еврейской семье в Будапеште, бывшем в те времена второй столицей Австро-Венгерской империи

[1]. Его отец, Макс Нейман (венг. Neumann Miksa, 1870—1929), переселился в Будапешт из провинциального городка Печ в конце 1880-х годов, получил степень доктора от юриспруденции и работал адвокатом в банке. Мать, Маргарет Канн (венг. Kann Margit, 1880—1956), была домохозяйкой и старшей дочерью (во втором браке) преуспевающего коммерсанта Якоба Канна — партнёра в фирме «Kann—Heller», специализирующейся на торговле мельничными жерновами и другим сельскохозяйственным оборудованием.

Янош, или просто Янчи, был необыкновенно одарённым ребёнком. Уже в 6 лет он мог разделить в уме два восьмизначных числа и беседовать с отцом на древнегреческом. Янош всегда интересовался математикой, природой чисел и логикой окружающего мира. В восемь лет он уже хорошо разбирался в математическом анализе. В 1911 году он поступил в Лютеранскую Гимназию. В 1913 году его отец получил дворянский титул, и Янош вместе с австрийским и венгерским символами знатности — приставкой фон

(von) к австрийской фамилии и титулом Маргиттаи (Margittai) в венгерском именовании — стал называться Янош фон Нейман или Нейман Маргиттаи Янош Лайош. Во время преподавания в Берлине и Гамбурге его называли Иоганн фон Нейман. Позже, после переселения в 1930-х годах в США, его имя на английский манер изменилось на Джон. Любопытно, что его братья после переезда в США получили совсем другие фамилии: Vonneumann и Newman. Первая, как можно заметить, является «сплавом» фамилии и приставки «фон», вторая же — дословным переводом фамилии с немецкого на английский.

Фон Нейман получил степень доктора философии по математике (с элементами экспериментальной физики и химии) в университете Будапешта в 23 года. Одновременно он изучал химическую инженерию в швейцарском Цюрихе (Макс фон Нейман полагал профессию математика недостаточной для того, чтобы обеспечить надёжное будущее сына). С 1926 по 1930 год Джон фон Нейман был приват-доцентом в Берлине.

В 1930 году фон Нейман был приглашён на преподавательскую должность в американский Принстонский университет. Был одним из первых приглашённых на работу в основанный в 1930 году научно-исследовательский Институт перспективных исследований, также расположенный в Принстоне, где с 1933 года и до самой смерти занимал профессорскую должность.

В 1936—1938 годах Алан Тьюринг защищал в институте под руководством Алонзо Чёрча докторскую диссертацию. Это случилось вскоре после публикации в 1936 году статьи Тьюринга «О вычислимых числах в применении к проблеме разрешимости» (англ. On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungs problem), которая включала в себя концепции логического проектирования и универсальной машины. Фон Нейман, несомненно, был знаком с идеями Тьюринга, однако неизвестно, применял ли он их в проектировании IAS-машины десять лет спустя.

В 1937 году фон Нейман стал гражданином США. В 1938 он был награждён премией имени М. Бохера за свои работы в области анализа.

Первый успешный численный прогноз погоды был произведен в 1950 году с использованием компьютера ENIAC командой американских метеорологов совместно с Джоном фон Нейманом^[2].

В октябре 1954 года фон Нейман был назначен членом Комиссии по атомной энергии, которая ставила своей главной заботой накопление и развитие ядерного оружия. Он был утвержден Сенатом Соединенных Штатов 15 марта 1955 года. В мае он и его жена переехали в Вашингтон, пригород Джорджтаун. В течение последних лет жизни фон Нейман был главным советником по атомной энергии, атомному оружию и межконтинентальному баллистическому оружию. Возможно, вследствие своего происхождения или раннего опыта в Венгрии, фон Нейман решительно придерживался правого крыла политических взглядов. В статье журнала «Жизнь», опубликованной 25 февраля 1957 года, вскоре после его смерти, он представлен приверженцем предупредительной войны с Советским Союзом.

Летом 1954 года фон Нейман ушиб левое плечо при падении. Боль не проходила, и хирурги поставили диагноз костная форма рака. Предполагалось, что рак фон Неймана мог быть вызван радиоактивным облучением при испытании атомной бомбы в Тихом океане или, может быть, при последующей работе в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико (его коллега, пионер ядерных исследований Энрико Ферми, умер от рака желудка на 54 году жизни). Болезнь прогрессировала и посещение три раза в неделю совещаний КАЭ (Комиссии по атомной энергии) требовало огромных усилий. Через несколько месяцев после постановки диагноза фон Нейман умер в тяжёлых мучениях. Рак также поразил его мозг, практически лишив его возможности мыслить. Когда он лежал при смерти в госпитале Вальтера Рида, он шокировал своих друзей и знакомых просьбой поговорить с католическим священником.

Клеточные автоматы и живая клетка

Концепция создания клеточных автоматов являлась порождением антивиталистической идеологии (индоктринации), возможности создания жизни из мертвой материи. Аргументация виталистов в XIX веке не учитывала, что в мертвой материи возможно хранение информации — программы, которая может изменить мир (например, станок Жакара — см. Ганс Дриш). Нельзя сказать, что идея клеточных автоматов перевернула мир, но она нашла применение почти во всех областях современной науки.

Нейман ясно видел предел своих интеллектуальных возможностей и чувствовал, что не может воспринять некоторые высшие математические и философские идеи.

Фон Нейман был блестящим, изобретательным, действенным математиком, с потрясающей широты кругом научных интересов, которые простирались и за пределы математики. Он знал о своём техническом таланте. Его виртуозность в понимании сложнейших рассуждений и интуиция были развиты в высшей степени; и тем не менее, ему было далеко до абсолютной самоуверенности. Возможно, ему казалось, что он не обладает способностью интуитивно предугадывать новые истины на самых высших уровнях или даром к мниморациональному пониманию доказательств и формулировок новых теорем. Мне трудно это понять. Может быть, это объяснялось тем, что пару раз его опередил или даже превзошёл кто-то другой. К примеру, его разочаровало то, что он не первым решил теоремы Гёделя о полноте. Ему это было больше чем под силу, и наедине с самим собой он допускал возможность того, что Гильберт избрал ошибочный ход решения. Другой пример — доказательство Дж. Д. Биркгофом эргодической теоремы. Его доказательство было более убедительным, более интересным и более независимым по сравнению с доказательством Джонни.

— [Улам, 70]

Данная проблематика личного отношения к математике была очень близка Уламу, см., например:

Помню, как в четыре года я резвился на восточном ковре, разглядывая дивную вязь его узора. Помню высокую фигуру отца, стоящего рядом, и его улыбку. Помню, что подумал: «Он улыбается, потому как думает, что я ещё совсем ребёнок, но я-то знаю, как удивительны эти узоры!». Я не утверждаю, что тогда мне пришли в голову в точности эти слова, но я уверен, что эта мысль возникла у меня в тот момент, а не позднее. Я определённо чувствовал: «Я знаю что-то, чего не знает мой папа. Возможно, я знаю больше чем он».

— [Улам, 13]

Сравните с «Урожаями и посевам» Гротендика.

Личная жизнь

Фон Нейман был женат дважды. В первый раз он женился на Мариэтте Кёвеши (Mariette Kövesi) в 1930 году. Брак распался в 1937 году, а уже в 1938 он женился на Кларе Дэн (Klara Dan). От первой жены у фон Неймана родилась дочь Марина — в последующем известный экономист.

Библиография

• Математические основы квантовой механики. М.: Наука, 1964.
• Теория игр и экономическое поведение. М.: Наука, 1970.

Литература

Примечания

См. также

Ссылки

Фон Нейман, Джон — это… Что такое Фон Нейман, Джон?

Джон фон Нейман в 1940-е

Джон фон Не́йман (англ. John von Neumann или Йоганн фон Нейман, нем. Johann von Neumann

; при рождении Я́нош Ла́йош Не́йман (венг. Neumann János Lajos), 28 декабря 1903, Будапешт — 8 февраля 1957, Вашингтон) — венгро-американский математик, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки.

Наиболее известен как праотец современной архитектуры компьютеров (так называемая архитектура фон Неймана), применением теории операторов к квантовой механике (см. Алгебра фон Неймана), а также как участник Манхэттенского проекта и как создатель теории игр и концепции клеточных автоматов.

Биография

Янош Лайош Нейман родился старшим из трёх сыновей в состоятельной еврейской семье в Будапеште, бывшем в те времена городом Австро-Венгерской империи.^[1] Его отец, Макс Нейман (венг. Neumann Miksa, 1870—1929), переселился в Будапешт из провинциального городка Печ в конце 1880-х годов, получил степень доктора от юриспруденции и работал адвокатом в банке. Мать,

Маргарет Канн (венг. Kann Margit, 1880—1956), была домохозяйкой и старшей дочерью (во втором браке) преуспевающего коммерсанта Якоба Канна — партнёра в фирме «Kann—Heller», специализирующейся на торговле мельничными жерновами и другим сельскохозяйственным оборудованием.

Янош, или просто «Янси», был необыкновенно одарённым ребёнком. Уже в 6 лет он мог разделить в уме два восьмизначных числа и беседовать с отцом на древнегреческом. Янош всегда интересовался математикой, природой чисел и логикой окружающего мира. В восемь лет он уже хорошо разбирался в математическом анализе. В 1911 году он поступил в Лютеранскую Гимназию. В 1913 году его отец получил дворянский титул, и Янош вместе с австрийским и венгерским символами знатности — приставками фон (von) к австрийской фамилии и титулом Маргиттаи (Margittai) в венгерском именовании — стал называться Янош фон Нейман или Нейманом Маргиттаи Янош Лайос. Во время преподавания в Берлине и Гамбурге его называли Иоганном фон Нейманом. Позже, после переселения в 1930-х годах в США, его имя на английский манер изменилось на Джон. Любопытно, что братья фон Неймана после переезда в США получили совсем другие фамилии: Воннеуманн (

Vonneumann) и Ньюман (Newman).

Фон Нейман получил степень доктора философии по математике (с элементами экспериментальной физики и химии) в университете Будапешта в 23 года. Одновременно он изучал химическую инженерию в швейцарском Цюрихе (Макс фон Нейман полагал профессию математика недостаточной для того, чтобы обеспечить надёжное будущее сына). С 1926 по 1930 годы Джон фон Нейман был приват-доцентом в Берлине.

В 1930 году фон Нейман был приглашён на преподавательскую должность в американский Принстонский университет. Был одним из первых приглашённых на работу в основанный в 1930 году научно-исследовательский Институт Перспективных Исследований (англ. Institute for Advanced Study), также располагавшийся в Принстоне, где с 1933 года и до самой смерти занимал профессорскую должность.

В 1936—1938 годах Алан Тьюринг защищал в институте под руководством Алонзо Чёрча докторскую диссертацию. Это случилось вскоре после публикации в 1936 году статьи Тьюринга «On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungs problem», которая включала в себя концепции логического проектирования и универсальной машины. Фон Нейман, несомненно, был знаком с идеями Тьюринга, однако неизвестно, применял ли он их в проектировании IAS-машины десять лет спустя.

В 1937 году фон Нейман стал гражданином США. В 1938 он был награждён премией имени М. Бохера за свои работы в области анализа.

Фон Нейман был женат дважды. В первый раз он женился на Мариэтте Кёвеши (Mariette Kövesi) в 1930 году. Брак распался в 1937 году, а уже в 1938 он женился на Кларе Дэн (Klara Dan). От первой жены у фон Неймана родилась дочь Марина — в будущем известный экономист.

В 1946 году Джон фон Нейман доказал теорему о плотности записи чисел в позиционных системах счисления с разными основаниями.

В 1957 году фон Нейман заболел раком кости, возможно, вызванным радиоактивным облучением при исследовании атомной бомбы в Тихом океане или, может быть, при последующей работе в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико (его коллега, пионер ядерных исследований Энрико Ферми, умер от рака кости в 1954 году). Через несколько месяцев после постановки диагноза фон Нейман умер в тяжёлых мучениях. Рак также поразил его мозг, практически лишив его возможности мыслить. Когда он лежал при смерти в госпитале Вальтера Рида, он шокировал своих друзей и знакомых просьбой поговорить с католическим священником.

Клеточные автоматы и живая клетка

Концепция создания клеточных автоматов являлась порождением антивиталистической идеологии (индоктринации), возможности создания жизни из мертвой материи. Аргументация виталистов в XIX веке не учитывала, что в мертвой материи возможно хранение информации — программы которая может изменить мир (например станок Жакара см. Ганс Дриш). Нельзя сказать, что идея клеточных автоматов перевернула мир, но она нашла применение почти во всех областях современной науки.

Нейман ясно видел предел своих интеллектуальных возможностей и чувствовал, что не может воспринять некоторые высшие математические и философские идеи.

Фон Нейман был блестящим, изобретательным, действенным математиком, с потрясающей широты кругом научных интересов, которые простирались и за пределы математики. Он знал о своём техническом таланте. Его виртуозность в понимании сложнейших рассуждений и интуиция были развиты в высшей степени; и тем не менее, ему было далеко до абсолютной самоуверенности. Возможно, ему казалось, что он не обладает способностью интуитивно предугадывать новые истины на самых высших уровнях или даром к мниморациональному пониманию доказательств и формулировок новых теорем. Мне трудно это понять. Может быть, это объяснялось тем, что пару раз его опередил или даже превзошёл кто-то другой. К примеру, его разочаровало то, что он не первым решил теоремы Геделя о полноте. Ему это было больше чем под силу и наедине с самим собой он допускал возможность того, что Гильберт избрал ошибочный ход решения. Другой пример — доказательство Дж. Д.Биркгофом эргодической теоремы. Его доказательство было более убедительным, более интересным и более независимым по сравнению с доказательством Джони. [Улам,70]

Данная проблематика личного отношения к математике, была очень близка Уламу, см. например

Помню, как в четыре года я резвился на восточном ковре, разглядывая дивную вязь его узора. Помню высокую фигуру отца, стоящего рядом, и его улыбку. Помню, что подумал: «Он улыбается, потому как думает, что я ещё совсем ребёнок, но я-то знаю, как удивительны эти узоры!». Я не утверждаю, что тогда мне пришли в голову в точности эти слова, но я уверен, что эта мысль возникла у меня в тот момент, а не позднее. Я определённо чувствовал: «Я знаю что-то, чего не знает мой папа. Возможно, я знаю больше чем он». [Улам,13]

Сравни с «Урожаями и посевам» Гротендика.

Примечания

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)

☰

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Как работает машина фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) — ЗУ, арифметико-логического устройства — АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

Архитектура фон Неймана, реконфигурируемые компьютерные системы и антимашина | Открытые системы. СУБД

Трудно согласиться с еретическим на первый взгляд утверждением, будто два кита современных компьютерных технологий— статистическая теория информации и вычислительная архитектура с программами, хранимыми в памяти,— исчерпали свой потенциал и нуждаются в радикальном обновлении. Однако тем не менее утверждение это во многом справедливо.

Теория информации Клода Шеннона, которую, по примеру самого Шеннона, все же следует называть «теорией передачи данных», никоим образом больше не может соответствовать современным представлениям об информации. Напомним, что она возникла как ответ на необходимость решать задачи, связанные с передачей данных, и предлагает соответствующую меру для передаваемых данных. Иначе говоря, шенноновская теория отражает то видение информации, которое было выработано в связи с процессами передачи данных. Поэтому вполне естественно, что ее область действия не может распространяться на множество современных приложений наподобие обработки неструктурированных данных, работы с мультимедийным контентом и т.д. Как это ни странно, но ИТ-специалисты в подавляющем большинстве не знают теории информации, а слова «информация» и «данные» часто используются как синонимы. Показательно, что даже самые старательные студенты компьютерных специальностей, прослушавшие обстоятельный курс по теории информации, не могут соотнести содержание этого курса с профильными специальностями. Из-за существующего разрыва между практической работой с информацией и теорией информации технологии, называемые «информационными», имеют дело вовсе не с информацией, а с обычными данными. Единого признанного представления о том, что же такое информация и что такое технологии для работы ней, не существует*.

Невозможность установить соответствие между данными и информацией рождает, условно говоря, построенные «на коленке» технологии. К их числу относятся такие полезные методы, как минимизация дублирования данных (то есть исключение таких данных, которые соответствуют одной и той же информации) или повышение качества данных (исключение разных наборов данных, соответствующих одной и той же информации). Вполне востребованные, они тем не менее базируются на интуитивных представлениях, без какого-либо строгого определения того, как данные соотносятся с заключенных в них информацией. Совершенно очевидно, что подобная кустарщина в работе с информацией может стать серьезным барьером. Экспоненциальный рост объемов хранимых данных, смещение в сторону неструктурированных данных, появление новых дисциплин работы с данными, необходимость доведения до практической реализации старых идей наподобие распознавания речи невозможны без разработки новой теории информации. Однако ее формированию препятствует так называемая «стена ментальности».

Еще один «постаревший» кит— ставшая по нынешним временам архаичной фон-неймановская архитектура. Именно она является самым серьезным тормозом на пути дальнейшего совершенствования аппаратного и программного обеспечения. Моральное старение фон-неймановской архитектуры приводит к тому, что вся отрасль, связанная с обработкой данных, несмотря на ее видимое процветание, несмотря на бесчисленные разговоры об информационном обществе и пр., с неизбежностью приближается к критическому состоянию. Что же вызывает старение? Дело в количественном и качественном росте. Компьютерный мир все плотнее и плотнее объединяется с миром реальным. Появился специальный термин «всепроникающие компьютерные системы» (pervasive computing). Компьютер перестал быть ЭВМ, электронной вычислительной машиной, и неожиданно выяснилось, что в своем первоначальном виде компьютер не вполне соответствует окружающей среде. Реальный мир во всех его проявлениях параллелен, а современный компьютерный мир по своей природе последователен: данные передаются по последовательным каналам, команды выполняются одна за другой, как следствие любые попытки распараллеливания и адаптации к условиям реального мира рождают чрезвычайно сложные и искусственные решения.

Одну из фундаментальных слабостей современных компьютеров вскрыл в 1977 году Джон Бэкус в речи, с которой он выступил при получении Тьюринговской премии. С тех пор в ход пошло прозвучавшее в ней выражение «бутылочное горло фон Неймана», символизирующее собой органический недостаток архитектурной схемы, ассоциирующейся с именем Джона фон Неймана. Но несмотря ни на что, с 1945 года и поныне архитектурная схема фон Неймана служит основой всех компьютеров, за исключением небольшого количества специализированных микроконтроллеров, построенных с использованием «гарвардской схемы», называемой так по имени машины Говарда Айкена Harvard Mark I, где программы хранились на перфорированных лентах, а обрабатываемые данные— в релейных массивах (рис. 1). В современных микроконтроллерах перфоленты заменила память ROM, реле— память RAM, но суть осталась прежней: в процессоре встречаются два независимых и не сдерживающих друг друга потока команд и данных. Как следствие, такие специализированные устройства обладают производительностью, необходимой для работы в технических системах в режиме реального времени.

Рис. 1 (а). Архитектура фон Неймана

Рис. 1 (б). Гарвардская архитектура

Двуликий закон Мура

Но если кризис фон-неймановской архитектуры наступает, то почему же о нем задумывается ограниченное число специалистов? Скорее всего, причина успокоенности большинства в том, что картину видимого благополучия искусственным образом поддерживает закон Мура**.

Поначалу закон Мура воспринимался как некий казус. Он в большей степени удивлял, чем служил руководством к действию, но со временем корректность закона перестала вызывать сомнение, и сейчас есть уверенность в его действенности на долгие годы вперед, с ним связывают надежды на будущее. Показательно, что о законе Мура широко заговорили лишь лет пять назад; как ни странно, до этого он был мало кому известен, а уж его точная формулировка и подавно. Долгое время его ошибочно интерпретировали как закон периодического удвоения производительности, и только когда удельная производительность стала падать, вспомнили об изначальной формулировке, говорящей о плотности размещения транзисторов на кристалле. До тех пор пока сложность процессоров не начала сдерживать дальнейшее развитие, закон Мура воспринимался исключительно как гарант прогресса, однако сегодня сложность стала серьезной проблемой. Отношение к закону Мура и его месту в компьютерной истории нуждается в переосмыслении. В общем эволюционном процессе закон Мура играет двойственную роль, являясь и тормозом, и стимулом одновременно.

Тормозом— или, скорее, консервирующим фактором— закон Мура можно считать потому, что он на протяжении добрых десяти лет позволял сохранять динамику развития, обходясь без радикальных инновационных шагов. Работала своеобразная положительная обратная связь; увеличением количества транзисторов разработчики процессоров компенсировали снижение качества архитектуры. Как результат производительность продолжала расти, но медленнее, чем число транзисторов. Однако какой ценой это достигалось? Как показано на рис. 2, за последнее десятилетие удельная производительность процессоров в пересчете на число транзисторов упала на один-два порядка. Дальнейшее развитие полупроводниковых технологий по закону Мура не может компенсировать чудовищную неэффективность современных процессоров. Диспропорцию между числом транзисторов на кристалле и удельной производительностью, выраженной в скорости выполнения, отнесенной к площади, иногда называют «дефицитом Мура» (Moore Gap).

Рис. 2. Падение удельной производительности процессоров. За шесть лет удельная производительность DEC Alpha сократилась в 100 раз, а процессоров IBM- в шесть раз

Но с другой стороны, количественный рост, постулируемый законом Мура, предопределяет неизбежные перемены, и в какой-то момент должен сработать диалектический переход количества в качество. Легендарный Дэйв Паттерсон, профессор из Калифорнийского университета в Беркли, изобретатель RISC-процессоров и RAID-массивов, считает, что грядет новое время, когда перестанут действовать прежние прописные истины и им на смену придут новые. Однако переход этот осложняется наличием трех «стен».

• Энергетическая стена. Старая истина— энергия не стоит ничего, транзисторы дороги. Новая истина— дорога энергия, транзисторы не стоят ничего.

• Стена памяти. Старая истина— память работает быстро, а операции с плавающей запятой медленны. Новая истина— системную производительность сдерживает память, операции выполняются быстро.

• Стена параллелизма на уровне команд. Старая истина— производительность можно повысить за счет качества компиляторов и таких архитектурных усовершенствований, как конвейеры, внеочередное выполнение команд, сверхдлинное командное слово (Very Long Instruction Word, VLIW), явный параллелизм команд (Explicitly Parallel Instruction Computing, EPIC) и др. Новая истина— естественный параллелизм, команды и длинные, и короткие, но выполняются они параллельно, на разных ядрах.

Некоторые авторы считают, что есть еще одна стена, «стена ментальности» (educational wall). За 60 лет существования компьютеров сложилась определенная образовательная традиция. Тем, кто вырос как специалист на не подвергаемых сомнению догматах, непросто признать их уязвимость. Вообще говоря, несовершенство и избыточная затратность современных компьютерных систем становится популярной темой для обсуждения. К примеру, об этом недавно, во время своего пребывания в Москве, говорил Билл Инмон. «Отец» хранилищ данных указывает, что все современные решения для работы с данными объединяет то, что стоимость функциональных компонентов (транзисторы, диски и т.д.) становится все менее значимой, а основная стоимость продуктов приходится на поддерживающую инфраструктуру.

Аргументы сторонников искусственного интеллекта

Помимо очевидных технологических претензий к фон-неймановской архитектуре (излишняя сложность, неспособность к распараллеливанию, низкий коэффициент полезного использования транзисторов и т.п.), есть еще одна группа претензий. Стоит вспомнить то, какие надежды несколько десятилетий назад возлагались на искусственный интеллект, какими умными представлялись будущие машины и то, каким провалом все в конечном итоге кончилось. Адепты искусственного интеллекта видят причину неудач в монопольном положении одной архитектуры, которая способна безукоризненно выполнять ограниченный набор действий, но оказывается не в состоянии адаптироваться к решению задач с элементами интеллектуальности. Нельзя же признать, что монстры от IBM, методом перебора обыгрывающие гроссмейстеров, и в самом деле играют в шахматы. То же самое можно сказать о различных задачах распознавания и многом другом. Фон-неймановские машины (фактически— последовательные цифровые процессоры) способны воспринимать единственный входной поток единиц и нулей и обрабатывать данные, состоящие из тех же единиц и нулей. На то, чтобы приспособить машины для решения интеллектуальных задач, остаются лишь весьма ограниченные языковые возможности. Со временем они оказываются исчерпанными, и ни о каком реальном использовании современных компьютеров для решения интеллектуальных задач говорить не приходится. Но это вовсе не означает, что компьютеры в принципе пригодны лишь для решения рутинных задач. Рано или поздно они должны стать интеллектуальными ассистентами человека, как представляли их Ванневар Буш и Даг Энгельбарт.

Одно ядро— это плохо, а много— это хорошо?

Впрочем, претензии к фон-неймановской схеме со стороны потерпевших неудачу исследователей нельзя принять в качестве главного критического аргумента. Действенной причиной для коренного пересмотра фундаментальной компьютерной архитектуры могут стать изменившиеся требования бизнеса, а непосредственным стимулом— проблемы увеличения сложности одноядерных процессоров и многоядерность как единственное лекарство от этой сложности.

Вернемся к двуликости закона Мура. История процессора Itanium прекрасно иллюстрирует то, как можно его использовать для консервирования действующей парадигмы. Через год исполнится 20 лет с того памятного момента, когда в HP, придя к выводу об ограниченной возможности для дальнейшего развития архитектуры RISC, отдали предпочтение казавшейся им более перспективной архитектуре с явным параллелизмом EPIC, позволяющей выполнять за один такт очень длинное командное слово. Но и они, и те, кто стал их союзником, просчитались; вопреки ожиданиям процессор с одним ядром (а про другие тогда не знали) получился невероятно сложным, а компиляторы, способные реализовать его возможности,— и того сложнее. Период собственно разработки затянулся на 12 лет, но и после еще семи лет доработки желаемый результат остается не достигнутым. Продукты, построенные на Itanium, не смогли составить конкуренцию ни RISC-серверам (их, по данным Gartner, в 2007 году было выпущено на порядок больше, чем серверов на Itanium), ни тем более стандартным серверам на процессорах х86, на замену которым планировался Itanium (здесь он уступает более чем два порядка). Даже в сегменте HPC, где, казалось бы, выдающаяся по сравнению с другими процессорами производительность на операциях с плавающей запятой дает Itanium преимущества, он уступает свои позиции; в нынешнем списке Top?500 на его долю приходится всего 3,2% общего числа суперкомпьютеров.

Нетрудно прийти к выводу, что, если нельзя использовать возможности закона Мура на одном ядре из-за исключительной сложности такого ядра, то следует пойти по пути увеличения числа ядер. Именно так поступили в Sun Microsystems, выпустив 8-ядерный процессор Niagara. Идея многоядерности стала очевидной и для тех, кто делал ставку на EPIC, и вот на очередном форуме IDF осенью 2004 года Пол Отеллини, генеральный директор Intel, заявил: «Мы связываем наше будущее с многоядерными продуктами; мы верим, что это ключевая точка перегиба для всей индустрии»***. Тогда эту перспективу рассматривали ограниченно, поэтому слова Отеллини отнесли к вполне ожидаемым двухъядерным или четырехъядерным процессорам и особого внимания на прозрачный намек по поводу прогнозируемого перегиба не обратили. В стороне от общественного внимания осталось и еще одно многозначительное высказывание по поводу грядущего увеличения числа ядер, сделанное им тогда же: «Это не гонка. Это радикальное изменение в компьютинге, мы не имеем права рассматривать происходящее как простую технологическую гонку».

Три года спустя один из самых авторитетных современных специалистов в области многоядерных процессорных архитектур, профессор Массачусетского технологического института Ананд Агарвал, выступая на конференции, посвященной проблемам современных процессоров, имея опыт собственной разработки в основанной им компании Tilera, сказал следующее: «Процессоры становятся все более и более единообразными и обезличенными, критичнее становится система», а далее подарил афоризм: «Процессор— это транзистор современности».

Его мысль развил Энди Бехтольсхайм из Sun Microsystems: «Больше нельзя рассматривать производительность как серьезное ограничение. Теперь главное ограничение— ввод/вывод, а производительность ввода/вывода невозможно поднять за счет простого увеличения плотности транзисторов».

Можно говорить о двух заметно разнящихся между собой тенденциях в процессе увеличения числа ядер. Одну теперь называют мультиядерность (multi-core), в этом случае предполагается, что ядра являются высокопроизводительными и их относительно немного; сейчас их число— два-четыре, и согласно закону Мура оно будет периодически удваиваться. Этот путь имеет два основных прежних недостатка: первый— высокое энергопотребление, второй— высокая сложность чипа и, как следствие, низкий процент выхода готовой продукции. При производстве 8-ядерного процессора IBM Сell только 20% производимых кристаллов являются годными. Другой путь— многоядерность (many-core). В таком случае на кристалле собирается на порядок большее число, но при этом простейших ядер, потребляющих милливатты. Допустим, для начала ядер будет сто, но и это число с той же периодичностью удваивается, а следовательно, в обозримом будущем появятся процессоры с тысячами и десятками тысяч ядер. Данный подход попадает в категорию так называемых «разрушительных инноваций» (disruptive innovation). Такого рода технологии взламывают существующие рынки; к примеру, на наших глазах начинается замена жестких дисков твердотельными дисками, цифровая фотография вытеснила аналоговую.

Впрочем, эти революционные процессы прошли или происходят достаточно безболезненно для потребителей, чего нельзя сказать о многоядерности. Действительно, ни одна из современных школ программирования не в состоянии справиться с грядущими проблемами, не случайно на суперкомпьютерной конференции, прошедшей в Дрездене в 2007 году, один из центральных докладов назывался «Развал системы традиционных знаний в многоядерную эру. Все, что вы знаете,— неверно».

Если многоядерность, то какая?

Очевидно, что увеличение в десятки и сотни раз числа все тех же фон-неймановских ядер на одной подложке не является панацеей. В недавнем интервью не нуждающийся в представлении Дональд Кнут сказал по поводу упрощенного подхода к увеличению числа ядер следующее: «Мне кажется, у проектировщиков процессоров иссякли идеи, и они хотят переложить ответственность за невозможность повышать производительность компьютеров в соответствии с законом Мура на тех, кто создает программы. Они предлагают процессоры, отлично работающие на отдельных тестах, но я не удивлюсь, что вся эта эпопея многоядерности закончится не меньшим провалом, чем Itanium, где все выглядело прекрасным, пока не выяснилось, что компиляторы с соответствующими ему возможностями предвидения невозможно написать.

Сколько вы знаете программистов, относящихся с энтузиазмом к будущим многоядерным процессорам? У всех, кого я знаю, они лишь вызывают огорчение, хотя разработчики процессоров говорят, что я не прав. Я знаю приложения, адаптируемые к параллельному исполнению; это графический рендеринг, сканирование изображений, моделирование биологических и физических процессов, но все они требуют подходов, которые чрезвычайно специализированы. Моих знаний хватило, чтобы написать о них в ‘Искусстве программирования’, но я считаю время, затраченное на них, потерянным, в этой области все быстро меняется, и совсем скоро написанное мной никому не будет нужным. Мультиядерность в том виде, как ее представляют, сейчас не прибавляет мне счастья».

Что же получается? Одноядерные процессоры бесперспективны, в этом убеждает пример Itanium. Но и многоядерные процессоры, если все сводится к размещению большего числа классических простых ядер на одной подложке, нельзя воспринимать как решение всех проблем. Их чрезвычайно сложно программировать, они могут быть эффективны только на приложениях, обладающих естественной многопотоковостью, таковых особенно много среди Web-приложений, но как быть со сложными задачами? Где же выход? Когда-то в моде была бионика, наука о применении в технических системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы. Пик бионических публикаций о промышленных аналогах форм живой природы пришелся на 60-е годы, потом о ней почти забыли. Многоядерность заставляет о ней вспомнить: из общих системных соображений понятно, что, если ядер будет много и количество их будет продолжать увеличиваться, то дальше все будет развиваться по сценарию биологической эволюции, когда вслед за одноклеточными организмами появились их многоклеточные преемники, а затем и еще более сложные создания. Однако остаются аргументы, высказываемые Кнутом. Какими должны стать эти ядра, чтобы не перекладывать ответственность на программистов?

Синдром фон Неймана и антимашина

Переход в новый мир с новыми истинами, в мир, каким его представляет Паттерсон, невозможен без понимания фундаментальных причин кризиса старого мира. Одной из наиболее интересных точек зрения на происхождение «стен» и других недостатков существующего компьютерного миропорядка обладает немецкий профессор Рейнер Хартенштайн. Он имеет огромный опыт преподавательской и научной работы в ведущих университетах Германии и в университете Беркли. С 1977 года возглавляющий лабораторию Xputer Lab, одну из немногих, где занимались тематикой, связанной с реконфигурируемым компьютингом (Reconfigurable Computing), Хартенштайн является создателем KARL, новаторского языка для проектирования аппаратного обеспечения. Профессор Хартенштайн— автор таких терминов, как «антимашина» (anti machine), «конфигурируемое аппаратное обеспечение» (сonfigware), «структурное проектирование аппаратного обеспечения» (structured hardware design) и ряда других. Реконфигурирование— это перепрограммирование аппаратуры; теоретически его можно применять к массивам, собранным из ядер с фон-неймановской архитектурой, но гораздо перспективнее— к ядрам, представляющим собой антимашины.

В последние годы Хартенштайна, как многих ветеранов, приглашают в качестве докладчика на многочисленные конференции и семинары. Основную тему, с которой он выступает, сегодня называют «синдромом фон Неймана». Авторство этого термина приписывают профессору из Беркли Чандуру Рамамути, однажды прослушавшему выступление Хартенштайна, а затем образно выразившему его взгляды. (Сам Рамамути в ряде своих работ показал, что чаще всего компьютеры с массовым параллелизмом, содержащие тысячи и десятки тысяч процессоров, оказываются менее продуктивными, чем ожидается при их проектировании. Основные причины этого эффекта, называемого самим Рамамути «суперкомпьютерным кризисом»,— наличие «стены памяти» и сложность программирования параллельных задач, что тоже является следствием фон-неймановской архитектуры.)

Целесообразно уточнить использование слова «синдром» в данном контексте. В русском языке его употребляют в медицинском смысле, как комплекс симптомов, но в данном случае его следует понимать шире, как цепь взаимосвязанных событий или сочетание явлений. В интерпретации Хартенштайна «синдром фон Неймана»— это цепочка событий, приведшая компьютерные технологии от изобретения архитектуры фон Неймана к нынешнему состоянию, хотя можно его понимать и в медицинском смысле, как застарелую болезнь. В качестве философской предпосылки для своих рассуждений Хартенштайн ссылается на Артура Шопенгауэра, писавшего: «Примерно каждые 30 лет наука, литература, искусство переживают период банкротства, коллапсируя под тяжестью накопленных ошибок». Хартенштайн считает, что в компьютерных технологиях и в компьютерных науках наступление кризиса было отложено лет на 30 благодаря опережающему развитию полупроводниковых технологий, зафиксированному в законе Мура.

Архитектура фон Неймана и ее зеркальное отражение

Главный вывод Хартенштайна состоит в том, что и энергетическая стена, и стена памяти, и стена параллелизма на уровне команд являются прямым следствием фон-неймановской архитектуры. Из-за технологических ограничений Джоном фон Нейманом была избрана схема, в основе которой лежит управляемый поток команд, программа, выбирающая необходимые для команд данные. Этим определяется канонический состав архитектурных компонентов, составляющих любой компьютер,— счетчик команд, код операции и адреса операндов; он остается неизменным по сей день. Все мыслимые и немыслимые усовершенствования архитектуры фон Неймана в конечном счете сводятся к повышению качества управления потоком команд, методам адресации данных и команд, кэшированию памяти и т.п. При этом последовательная архитектура не меняется, но сложность ее возрастает. Очевидно, что представление о компьютере как об устройстве, выполняющем заданную последовательность команд, лучше всего подходит для тех случаев, когда объем обрабатываемых данных невелик, а данные являются статическими. Но в современных условиях приходится сталкиваться с приложениями, где относительно небольшое количество команд обрабатывает потоки данных. В таком случае целесообразно предположить, что компьютером может быть и устройство, которое имеет каким-то образом зашитые в него алгоритмы и способно обрабатывать потоки данных. Такие компьютеры могли бы обладать естественным параллелизмом, а их программирование свелось бы к распределению функций между большим числом ядер.

Итак, можно допустить существование двух альтернативных схем. Одна, фон-неймановская, предполагает, что вычислительным процессом управляет поток команд, а данные, в основном статичные, выбираются из каких-то систем хранения или из памяти. Вторая схема основывается на том, что процессом вычислений управляют входные потоки данных, которые на входе системы попадают в подготовленную вычислительную инфраструктуру, обладающую естественным параллелизмом. С точки зрения реализации первая схема гораздо проще, кроме того, она универсальна, программы компилируются и записываются в память, а вторая требует специальной сборки нужной для определенной задачи аппаратной конфигурации. Скорее всего, эти две схемы должны сосуществовать, отражая две стороны компьютинга, своего рода ян и инь. Как ни странно, но вторая схема старше; пример тому— табуляторы, изобретенные Германом Холлеритом и с успехом использовавшиеся на протяжении нескольких десятилетий. Корпорация IBM достигла своего могущества и стала одной из самых влиятельных компаний в США, производя электромеханические табуляторы для обработки больших массивов информации, не требующей выполнения логических операций. Их программирование осуществлялось посредством коммутации на пульте, а далее устройство управления в соответствии с заданной программой координировало работу остальных устройств.

Антипод машины фон Неймана почти по всем своим свойствам (см. таблицу) антисимметричен ей, поэтому Хартенштайн и назвал его антимашиной. От машины фон Неймана антимашина отличается наличием одного или нескольких счетчиков данных, управляющих потоками данных, она программируется с использованием потокового обеспечения (Flowware), а роль центрального процессора в ней играют один или несколько процессоров данных (Data Path Unit, DPU). Центральной частью антимашины может стать память с автоматической последовательностью (Auto-Sequence Memory).

Таблица.

Антисимметрия между машиной и антимашиной наблюдается во всем, за исключением того, что антимашина допускает параллелизм внутренних циклов, а это значит, что в ней решается проблема параллельной обработки данных.

Рис. 3. Общая схема антимашины

В антимашине доступ к памяти обеспечивается не по адресу команды или фрагмента данных, записанному в соответствующий регистр, а посредством универсального генератора адресов (Generic Address Generator, GAG). Его преимущество в том, что он позволяет передавать блоки и потоки данных. В то же время компиляция, посредством которой создается специализированная под определенную задачу система, заключается в объединении нужного количества настроенных процессоров данных в общий массив (Data Process Array, DPA), на котором выполняются алгоритмы Flowware и который может быть реконфигурируемым.

Методология GAG непоследовательна, а потому обладает такими достоинствами, как возможность работы с двухмерными адресами, что дает неоспоримые преимущества при работе с видеоданными и при выполнении параллельных вычислений. Счетчик данных (data counter)— альтернатива счетчику команд в машине фон Неймана; его содержимым управляет Flowware. Для новой методологии придумано и новое название— twin.paradigm; оно отражает симбиоз вычислительных ядер двух классов, как обычных центральных процессоров, построенных по фон-неймановской схеме, так и процессоров данных, реализующих антимашины.

Реконфигурируемый компьютинг— хорошо забытое старое

Главные отличия антимашины от машины фон Неймана в том, что антимашина по природе своей параллельна и к тому же нестатична— ее нужно саму программировать, а не просто загружать различные программы в универсальную машину. К счастью, существуют наработки, которые хотя бы могут дать представление о том, как и из чего можно собрать антимашину. Реализовать ее можно средствами реконфигурируемого компьютинга (впрочем, следует заметить, что антимашина и реконфигурируемый компьютинг — это не одно и то же).

О реконфигурируемом компьютинге активно заговорили в последние годы, но сама идея адаптации аппаратного обеспечения под конкретную задачу далеко не нова. Ее выдвинул в 1959 году физик и математик Джон Паста, который был, что удивительно, коллегой Джона фон Неймана и вместе с Энрико Ферми работал над созданием атомной бомбы. Помимо других своих достижений он известен тем, что был первым, кто использовал компьютер в качестве инструмента для моделирования физических процессов. Полученный им опыт позволил прийти к выводу о том, что производители коммерческих компьютеров с самых первых шагов потеряли интерес к разработке альтернативных компьютерных архитектур, целиком сосредоточившись на архитектуре фон Неймана. И тогда Паста решил, что сначала необходимо выполнить определенный объем академических исследований и тем самым создать стимул для продолжения аналогичных работ в частном секторе. Своими соображениями относительно адаптируемых компьютерных архитектур он поделился с сотрудником Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Джеральдом Эстрином, который к тому времени обладал неплохим послужным списком, успев построить первый израильский компьютер WEIZAC (Weizmann Automatic Computer). Через год, в 1960 году, Эстрин выступил на известной в те годы конференции Western Joint Computer Conference с докладом «Организация вычислительной системы, состоящей из постоянной и переменной структур». Цель работы Эстрина состояла в разработке вычислительных систем, отличающихся от традиционных тем, что они представляли собой набор модулей для сборки специализированных компьютеров под определенную задачу. Впоследствии была предпринята попытка создать модульный комплект, из которого можно было бы собирать реконфигурируемые компьютеры, но на технологическом фундаменте начала 60-х она оказалась неудачной, однако тем не менее теоретические основы были сформулированы.

Технологический мэйнстрим отодвинул работу Эстрина на обочину, но периодически о ней вспоминали. Так, в экспериментальном компьютере PDP-16, предназначенном для управления технологическими процессами, который построили в корпорации Digital Equipment в 70-е годы, была реализована модульная схема Register-Transfer Modules. PDP-16 представлял собой своего рода конструктор, из которого можно было собирать компьютер, адаптированный к конкретным алгоритмам управления.

Теоретически возможно существование трех подходов к созданию реконфигурируемых процессоров.

• Специализированные процессоры (Application-Specific Standard Processor). Процессоры, имеющие набор команд, адаптированный к определенным приложениям.

• Конфигурируемые процессоры (Configurable Processor). Своего рода «заготовки» для создания специализированных процессоров, содержат в себе необходимый набор компонентов, адаптируемый к требованиям приложений. В таком случае проектирование специализированного процессора оказывается проще, чем с чистого листа.

• Динамические реконфигурируемые процессоры (Dynamically Reconfigurable Processor). Процессоры, содержащие стандартное ядро и расширяющее его возможности устройство, которое может быть запрограммировано в процессе исполнения, обычно это бывает программируемая логическая матрица (Field Programmable Gate-Array, FPGA).

Первые две категории приобретают свою специфику в процессе изготовления, а третья может программироваться; мы подробнее остановимся именно на ней.

Реконфигурируемые сигнальные процессоры

Лет 15-20 назад было предпринято несколько попыток создания гибридного процессора, состоящего из переменной и постоянной частей. Тогда и вспомнили про Эстрина; ему даже была посвящена специальная публикация в журнале The Economist «Реконфигурируемые системы готовятся к реанимации». Возможность для реконфигурации создали появившиеся к тому времени программируемые логические матрицы компании Xilinx, а непосредственный интерес был вызван появлением архитектуры PRISM (Processor Reconfiguration through Instruction-Set Metamorphosis), где для ускорения отдельных приложений возможности ядра могли быть расширены дополнительными операциями. Одним из наиболее известных процессоров с возможностями реконфигурации был Garp, разработанный в Беркли, который сочетал в себе ядро MIPS и инфраструктуру на основе FPGA.

Из этой волны выросло поколение реконфигурируемых сигнальных процессоров. Самым интересным из современных проектов является разрабатываемый в Италии процессор XiRiх (Extended Instruction Set Risc). Тем, кто серьезно заинтересуется программированием таких процессоров, стоит обратиться к выложенной в Сети диссертации Каудио Муччи (Software tools for embedded reconfigurable processors).

Горячие головы увлеклись идеей реконфигурации. В 1995 году аналитик из Gartner Йордан Селбурн предположил, что за десять последующих лет рынок реконфигурируемых чипов составит 50 млрд долл., но этот прогноз не оправдался?— скорее всего, потому, что и тогда уровень развития полупроводниковых технологий оказался недостаточным. Но уроки извлекать следует и из неудачных прогнозов, в частности из того, чему могут научить встраиваемые процессоры.

Как правило, сигнальные процессоры строятся по гарвардской архитектуре, с разделением памяти команд и данных, поэтому их реконфигурирование проще и естественнее. Эти процессоры всегда составляли отдельное подмножество, в силу своей специфики не пересекающееся с основным множеством вычислительных процессоров. Но стоит задуматься над тем, почему такое разделение сложилось и сохранится ли оно навсегда. Разработчики сигнальных процессоров были поставлены в условия, когда им нужно соответствовать требованиям окружающего мира, и они предложили свое «микрорешение». «Всепроникающие» (pervasive) компьютерные системы распространяют аналогичные требования на более широкий спектр приложений. Складывается впечатление, что какие-то подходы, в том числе и реконфигурация, которые зародились при разработке встраиваемых процессоров, будут распространены на макроуровень.

Реконфигурируемый компьютинг и HPC

За всеобщим увлечением высокопроизводительными кластерами остается не слишком заметной деятельность компаний Cray, SGI и SRC, которые активно используют ускорители вычислений на базе FPGA. Такими устройствами снабжены машины Cray XD1 и сервер SGI Reconfigurable Application-Specific Computing (RASC). По мнению аналитиков, эти решения представляют собой примеры, свидетельствующие о возможности применения FPGA за пределами традиционных встраиваемых приложений.

Компания SRC, созданная Сеймуром Креем незадолго до его гибели, связывает всю свою производственную программу с реконфигурируемыми компьютерными системами. Она разрабатывает архитектуру Implicit+Explicit, состоящую из традиционных компонентов Dense Logic Device и реконфигурируемых устройств Direct Execution Logic. Программная среда SRC Carte Programming Environment поддерживает программирование на Си и Фортране, не требуя от программиста знаний, связанных с программированием аппаратного обеспечения.

Как жить дальше?

Предвидение глобального кризиса вызывает больше вопросов, чем ответов. Эта тема волнует лучшие умы, но и они в затруднении. Тот же Дэйв Паттерсон заявил: «Все, что мы можем сейчас, это включить отдельные понятные сегодня вещи в аспирантские программы. Студентов мы должны информировать о грядущих тенденциях, признаваясь честно, что мы еще не знаем, какой будет следующая модель компьютинга».

В одном можно быть уверенным— кончается великая эпоха. Ее символом являются мэйнфреймы, с которых все началось и которыми все, видимо, и закончится. Мэйнфрейм— высшая точка фон-неймановской архитектуры, самый универсальный из всех универсальных компьютеров.

* На протяжении ряда лет я проделывал эксперимент, предлагая дать определение того, что такое информация, десяткам авторитетных отечественных и зарубежных представителей компьютерного сообщества. Ни один из них не дал прямого и строгого ответа. В подавляющем большинстве случаев сначала следовало «ну, знаете ли» с намеком на то, что вопрос не вполне корректен, а потом, после некоторого смущения, нечто наподобие «это данные плюс метаданные» или что-то еще в этом же роде.— Прим. автора.

** Следует заметить, что эта управляющая отраслью «мировая константа» впервые была замечена не Гордоном Муром, как думают многие, а великим Дагом Энгельбартом. Именно он сделал прогноз о периодическом удвоении плотности в 1960 году, на пять лет раньше появления знаменитой статьи Мура.— Прим. автора.

*** Чтобы подчеркнуть степень радикальности грядущих трансформаций, Отеллини использовал очень сильный и подчеркнуто элитарный эпитет sea change. Это выражение впервые встречается у Шекспира, а в современный оборот его ввел американский поэт Эзра Паунд. Такие выражения не выбирают случайно.— Прим. автора.

Архитектура фон Неймана, реконфигурируемые компьютерные системы и антимашина

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Джон фон Нейман / math5school.ru

1903–1957

 

  В огромном здании современной математики для фон Неймана не было закрытых дверей. 

Ю.А. Данилов 

 

Слушая фон Неймана, начинаешь понимать,  как должен работать человеческий мозг. 

Современники о фон Неймане

 

…Благодаря фон Нейману мы поняли, как нужно проводить вычисления.

Петер Хенричи

 

Джон фон Нейман (28 декабря 1903 – 8 февраля 1957) – венгеро-американский математик еврейского происхождения, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки.

Янош Нейман (так его звали в Венгрии, в Германии он стал Иоганном, а в США – и уже навсегда – Джоном) родился 3 декабря 1903 года в Будапеште, в богатой еврейской семье. Его отец, Макс Нейман, переселился в Будапешт из провинциального городка Печ в конце 1880-х годов, получил степень доктора от юриспруденции и работал адвокатом в банке. Мать, Маргарет Канн, была домохозяйкой. Еврейские традиции в семье не соблюдались. Позже вся семья приняла католицизм.

Первое серьёзное увлечение Яноша –  «Всемирная история» в 44 томах, которую он полностью проштудировал. Абсолютная память позволяла ему через много лет цитировать любую страницу некогда прочитанной книги, причем, иногда прямо, в том же темпе, переводя на немецкий или английский, с некоторыми затруднениями – на французский или итальянский. В 6 лет Янош перекидывался с отцом репликами на древнегреческом и перемножал в уме шестизначные числа. В 8 лет он уже интересовался вопросами высшей математики. Родители серьезно отнеслись к его необычной одаренности и предоставили ему возможность заниматься с лучшими частными преподавателями. 

В 10 лет Янош поступает в лютеранскую гимназию Будапешта. Школа эта сыграла гигантскую роль в развитии мировой науки. Из её стен вышли, помимо фон Неймана, такие выдающиеся ученые как Дьёрдь Хевеши (1885-1966, Нобелевская премия по химии 1943), создатель голографии Деннис Габор (1900-1979, Нобелевская премия 1971), ближайший друг фон Неймана Юджин Вигнер (1902-1995, Нобелевская премия 1963), Лео Сцилард (1898-1964, премия Эйнштейна 1959), «отец» американской водородной бомбы Эдвард Теллер (1908-2003). Психологи и историки науки до сих пор теряются в догадках о причинах такой вспышки гениальности в одном месте. Преподаватели скоро замечают особые, даже на таком фоне, способности Неймана и приобщают его к лекциям и семинарам в университете. В итоге, в 18 лет он публикует свою первую научную работу, а духовный отец венгерской математики Липот Фейер (1880-1959) называет его

самым блестящим Яношем в истории страны,

титул, оставшийся за ним на всю жизнь (имя Янош – одно из самых распространенных в Венгрии). 

Ещё в 1913 году отец Неймана получил дворянский титул, и Янош вместе с австрийским и венгерским символами знатности – приставкой фон (von) к австрийской фамилии и титулом Маргиттаи (Margittai) в венгерском именовании – стал называться Янош фон Нейман или Нейман Маргиттаи Янош Лайош. Впоследствии, во время преподавания в Берлине и Гамбурге, его называли Иоганн фон Нейман. Ещё позже, после переселения в 1930-х годах в США, его имя на английский манер изменилось на Джон. 

В 1919 году в Венгрии происходит коммунистический переворот, и власть на два месяца захватывает лидер венгерских коммунистов Бела Кун. Семья фон Нейманов уезжает на это время в Венецию, где у них есть дом, а Янош на всю жизнь становится яростным антикоммунистом, точнее противником любого тоталитаризма. 

В 1920 году Янош заканчивает гимназию. Отец, умудренный жизненным опытом, советует ему выбрать более практичную, нежели чистая математика, специальность. И Янош одновременно с математическим факультетом университета в Будапеште поступает в Технологический институт Цюриха на специальность химическое машиностроение. Посещение лекций в обоих вузах не обязательно, поэтому фон Нейман появляется в них практически только на период экзаменов, проводя остальное время в Берлине, и посвящая его занятиям математикой. Здесь он так преуспевает, что знаменитый Герман Вейль, вынужденный отлучиться во время семестра, оставляет ему – даже не студенту Берлинского университета – конспекты своих лекций по текущим разделам математики! 

В 1925 году фон Нейман получает диплом инженера-химика в Цюрихе и одновременно защищает диссертацию «Аксиоматическое построение теории множеств» на звание доктора философии в Будапештском университете. Его работа на эту тему 1923 года (автору 20 лет) столь глубока, что известный логик и математик А. Френкель советует ему написать более простую и популярную статью о своих результатах. Она и была представлена как диссертация и получила наивысшую оценку. 

Молодой доктор отправляется совершенствовать свои знания в Гёттинген, фактически физико-математическую столицу мира. Здесь он начинает работать с великим Давидом Гильбертом и знакомится с идеями только зарождавшейся тогда квантовой математики. Помимо чисто математических работ с Гильбертом и его сотрудниками фон Нейман, отчасти под влиянием обсуждений с Львом Давидовичем Ландау (советский физик-теоретик, основатель научной школы, лауреат Нобелевской премии по физике 1962 года), тогда же стажировавшимся в Гёттингене, разрабатывает метод матрицы плотности, один из основных методов квантовой теории по настоящее время. Работы по квантовой теории вылились, в итоге, в книгу «Математические основы квантовой механики», вышедшую в 1932 году. 

На основе этих работ, с уклоном в физику, фон Нейман начал другой цикл – по теории операторов, благодаря которым он считается основоположником современного функционального анализа, одного из наиболее бурно развивающихся, магистральных направлений математики. 

Но «и на старуху бывает проруха», как говорит известная поговорка. В 1927 году фон Нейман написал статью «К гильбертовой теории доказательства», в которой пытался обосновать непротиворечивость математики как теории в целом. А в 1931 году Курт Гёдель доказал великую теорему: если на основе системы аксиом построена математическая теория, то пользуясь только самыми строгими правилами вывода мы обязательно придем к противоречию! Таким образом, оказалось, что не может быть непротиворечивых математических теорий – а ведь математика всегда считалась единственным образцом строгой логики, лишенной противоречий.  

В истории науки значимость теоремы Гёделя может сравниваться только с квантовой теорией и теорией относительности. Всё это величайшие интеллектуальные достижения ХХ века. И фон Нейман, который был очень близок к возможности получить такой важнейший результат, упустил его. По мнению Станислава Улама, польского математика, переехавшего в Принстон в 1934 году и позднее участвовавшего в создании водородной бомбы в рамках ядерного проекта Лос-Аламосской лаборатории, эта неудача наложило отпечаток на всю его жизнь. 

Но еще до осознания этой неудачи фон Нейман открывает совершенно новую область исследований. В 1928 году он пишет статью «К теории стратегических игр», в которой доказывает знаменитую теорему о минимаксе, ставшую краеугольным камнем созданной позже теории игр. 

Работа эта возникла из обсуждений наилучшей стратегии при игре в покер двух, в простейшем случае, игроков. В ней рассматривается ситуация, когда по правилам игры выигрыш одного игрока равен проигрышу другого. При этом каждый игрок может выбирать из конечного числа стратегий – последовательностей действий и считает, что противник всегда поступает наилучшим для себя образом. Теорема фон Неймана утверждает, что в такой ситуации существует «устойчивая» пара стратегий, для которых минимальный проигрыш одного игрока совпадает с максимальным выигрышем другого. Устойчивость стратегий означает, что каждый из игроков, отклоняясь от оптимальной стратегии, лишь ухудшает свои шансы и, ему приходится вернуться к оптимальной стратегии. 

Таким образом, теорема фон Неймана позволяет наметить пути оптимальной стратегии, притом не только в покере: можно на таком же основании рассматривать пару покупатель-продавец, банкир-клиент, выборная кампания двух партий, футбольный матч, военный конфликт, наконец, – во всех этих ситуациях речь идет о выборе оптимальной стратегии. И, конечно, теорема минимакса не решила всех этих проблем: она послужила лишь фундаментальным толчком к бурному развитию теории, не утихающему и сейчас. Особую роль в этом направлении сыграла вышедшая в 1944 году книга фон Неймана и Оскара Моргенштерна «Теория игр и экономическое поведение» (русский перевод вышел только в 1970 году). Книга эта сразу стала бестселлером. Она выдержала несколько изданий и до сих пор является Библией экономистов и математиков, занимающихся экономикой и, вообще, теорией операций. 

В 1930 году фон Нейман был приглашён на преподавательскую должность в американский Принстонский университет. К этому времени фон Нейман понял, что поскольку в Германии всего три места профессора чистой математики и около 40 доцентов, на эти места претендующих, то ему, еврею, надеяться не на что. Поэтому он принял предложение переехать в США, в Принстон, где – главным образом для Эйнштейна – создавался Институт перспективных исследований (знаменитый Institute for Advanced Studies). В Принстоне он работает рядом с А. Эйнштейном, К. Гёделем, Г. Вейлем, Р. Оппенгеймером. В первые годы он еще ездит в Европу, но всё реже в Венгрию, где адмирал Хорти – первым в ХХ веке – открыто провозглашает антисемитизм своей официальной политикой. 

В 1936 году в Принстон приехал на два года, заниматься математической логикой, Алан Тьюринг. Здесь он опубликовал свою знаменитую работу об универсальных вычислительных машинах. Машины Тьюринга реально не осуществимы, но они показывают принципиальную возможность решения любых задач с помощью элементарных арифметических действий. Идея захватила фон Неймана. Он предложил Тьюрингу место ассистента для совместной работы. Тьюринг отказался, вернулся в Англию, где в годы войны стал искусным дешифровальщиком немецких сообщений. 

В 1937 году фон Нейман стал гражданином США. В 1938 он был награждён премией имени М. Бохера, присуждаемой раз в пять лет за наиболее значительные результаты в области анализа. 

С самого начала войны фон Нейман считает себя обязанным заниматься военными проблемами. Он едет в Вашингтон, затем в Англию и вплоть до 1943 года разрабатывает методы оптимального бомбометания. Таким образом, он участвует в работе созданных в США и в Англии групп ученых, занятых тем, что впоследствии составит новую научную дисциплину: теорию исследования операций. 

Поясним эти слова реальным примером. Моряки сомневались, стоит ли оборудовать торговые суда зенитными установками, поскольку за время войны ни один вражеский самолет огнём с этих судов сбит не был. Однако, ученые из этих групп доказали, что само знание о наличии таких орудий на торговых судах резко уменьшило вероятность и точность их обстрелов и бомбежек, а потому было полезно. 

К компетенции теории исследования операций относятся и проблемы комплектования военных конвоев, их охранения, выбор маршрутов и расписания движения, геометрия бомбометания, длительность артподготовки и многое, многое другое. Мы уже не говорим о проблемах баллистики, о детонации взрывчатых веществ и т.д. 

Интерес фон Неймана к компьютерам непосредственно связан с его участием в  Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы, который разрабатывался в ряде мест США, в том числе и в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико. Там фон Нейман математически доказал осуществимость взрывного способа детонации атомной бомбы. 

Дело в том, что взрыв происходит в тот момент, когда масса урана-235 или плутония достигает критического значения, где-то примерно 5 кг. В принципе для этого можно выбрать такой простейший вариант бомбы: два куска активного вещества, каждое массой несколько больше 2,5 кг, выстреливаются друг в друга и в момент соприкосновения взрываются (длительность взрыва порядка одной стомиллионной секунды). Схема, конечно, проста, даже слишком: успевает при этом взорваться небольшая часть активного вещества, все остальное испаряется и только заражает окрестности. 

Поэтому рациональней собрать бомбу из большего числа частей, строго одновременно направляемых с боков в центр. Вот такую конструкцию предложил, вместе с методами расчета, фон Нейман. 

Хотя фон Нейман занимался самыми абстрактными разделами математики, его никогда не оставляют равнодушным и проблемы приближенных расчётов. Ведь, скажем, для практических целей часто достаточно просчитать что-то с точностью всего до двух-трех знаков, а не сотен знаков после запятой, что может дать точный расчет. В этой области существует целый ряд приближенных методов. Вот, например, для оценки площади сложной фигуры, например, какой-либо страны с прихотливыми границами – иногда достаточно нарисовать эту фигуру на плотной однородной бумаге, точно вырезать, взвесить и сравнить с весом квадратика из той же бумаги, чью площадь легко сосчитать. А математически это будет означать приближенный расчет сложного интеграла. 

Первая электронно-вычислительная машина (ЭВМ) была построена в 1943-1946 годах в Пенсильванском университете и названа ЭНИАК (по первым буквам английского названия — электронный цифровой интегратор и вычислитель), возможности упрощения программирования для нее были подсказаны фон Нейманом. Следующей ЭВМ был ЭДВАК (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными), для него фон Нейман разработал подробную логическую схему, в которой структурными единицами были не физические элементы цепей как раньше, а идеализированные вычислительные элементы. Таким образом, он разработал общие принципы построения, «архитектуру» таких машин, а их реальное, физическое воплощение может при этом быть весьма различным. Именно поэтому фон Неймана зачастую называют «отцом» всего компьютерного направления в современной науке и технике! 

Фон Нейман с самого начала понимал, что компьютер – это больше, чем калькулятор, что он представляет собой, в потенции, универсальный инструмент для научных исследований. В июле 1954 г. фон Нейман подготовил «Предварительный доклад о машине ЭДВАК» на 101 странице, в котором обобщил планы работы над машиной и дал описание не только самой машины, но и ее логических свойств. Этот отчет стал первой работой по цифровым электронным компьютерам, с которой познакомились широкие круги научной общественности. Доклад циркулировал по лабораториям, университетам и странам, тем более, что фон Нейман пользовался широкой известностью в ученом мире. 

Отметим, что именно принципы параллельной обработки информации, заложенные фон Нейманом, сделали возможным рывок быстродействия работы компьютерных сетей последнего десятилетия. 

Нужно также отметить, что многие идеи фон Неймана еще не получили должного развития. Например, идея о взаимосвязи уровня сложности и способности системы к самовоспроизведению, о существовании критического уровня сложности, ниже которого система вырождается, а выше – обретает способность к самовоспроизведению (в частности, роботы могут начать размножаться, в том числе и неконтролируемым образом – идея, широко используемая в фантастике). Огромное значение имеют – и еще большее будут иметь в будущем – его идеи о построении надёжных устройств из ненадежных элементов. 

Интересна общая характеристика, даваемая Уламом:

Фон Нейман был блестящим, изобретательным, действенным математиком, с потрясающей широты кругом научных интересов, которые простирались и за пределы математики. Он знал о своем техническом таланте. Его виртуозность в понимании сложнейших рассуждений и интуиция были развиты в высшей степени… Джонни всегда был трудоголиком; он обладал огромной энергией и выносливостью, скрывающейся под не слишком волевой наружностью. Каждый день он начинал работать еще до завтрака. И даже во время званых вечеров у себя дома он мог вдруг оставить гостей, отлучиться где-нибудь на полчаса, чтобы записать что-то, пришедшее ему на ум.

Внешность фон Неймана была вполне обычной. Был он несколько полноват (в школьные годы единственно плохие отметки у него были по физкультуре, посредственные – по пению и музыке), одевался всегда очень элегантно, любил хорошие, даже роскошные  вещи. Привыкнув с детства к хорошо обеспеченной жизни, цитировал одного из своих дядюшек: «Недостаточно быть богатым, надо еще иметь деньги в Швейцарии». 

При вождении автомобиля никогда не старался развить максимальную скорость и очень любил, попадая в пробки, решать интеллектуальные задачи быстрейшего выхода из них. В поездках он порой так глубоко задумывался о своих проблемах, что приходилось звонить за уточнениями. Его жена рассказывала, что характерным был такой звонок:

Я доехал до Нью-Брунсвика, видимо еду в Нью-Йорк, но забыл куда и зачем. 

В 1955 году фон Нейман был назначен членом (фактически, научным руководителем) Комиссии США по атомной энергии и переехал из Принстона в Вашингтон. Он очень гордился тем, что он, иностранец, получил столь высокий государственный пост и работал на нём со всей возможной отдачей. 

Однако, в  том же 1955 году учёный заболел. Ещё летом 1954 года фон Нейман ушиб левое плечо при падении. Боль не проходила, и хирурги поставили диагноз костная форма рака. Предполагалось, что рак фон Неймана мог быть вызван радиоактивным облучением при испытании атомной бомбы в Тихом океане или, может быть, при последующей работе в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико (его коллега, пионер ядерных исследований Энрико Ферми, умер от рака желудка на 54 году жизни). Несколько операций не принесли облегчения и, получая в начале 1956 году из рук Эйзенхауэра высшую награду США для гражданских лиц – «Президентскую медаль Свободы» – фон Нейман сидел в инвалидной коляске. 

8 февраля 1957 года Джон фон Нейман умер в больнице. 

В последние годы жизни Джон фон Нейман часто повторял, что выйдя на пенсию откроет в Принстоне кафе, где не будет никаких музыкальных автоматов, а за чашечкой хорошего кофе можно будет спокойно беседовать. Так, говорил он, удастся привить американцам настоящий европейский – точнее, венский – стиль жизни. Ну и при этом, несомненно, будут звучать действительно остроумные, не из бульварных газет, анекдоты. Сам он слыл непревзойденным их знатоком и рассказчиком, вставлял их, как и шутки, в самые ответственные выступления, а вечера – приятельские встречи у него дома, уже в Принстоне, происходившие 2-3 раза в неделю, славились весельем, заводимым хозяином. 

Мечте о своем кафе не суждено было сбыться, Джон фон Нейман умер в 53 года. Но сделано им было столько открытий, построено столько новых теорий, даже основано столько новых направлений в науке, и притом в весьма различных областях, что хватило бы на десяток прославленных ученых. 

Джон фон Нейман был избран членом: 

• Перуанской Академии точных наук
• Римской Академии деи Линчи
• Американской Академии искусств и наук
• Американского философского общества
• Ломбардского института наук и литературы
• Национальной Академии США
• Нидерландской королевской академии наук и искусств, 

был почётным доктором многих университетов в США и других стран. 

Имя фон Неймана носят следующие объекты естествознания: 

• теорема фон Неймана о минимаксах
• алгебра фон Неймана
• архитектура фон Неймана
• гипотезы фон Неймана
• энтропия фон Неймана
• регулярное кольцо фон Неймана
• зонд фон Неймана. 

 

По материалам статей: М. Перельман, М. Амусья «Самый быстрый ум эпохи» к столетию Джона фон Неймана, Ю.А. Данилов «Джон фон Нейман» и Википедии.

 

НЕЙМАН • Большая российская энциклопедия

НЕ́ЙМАН (Neumann) Джон (Янош) фон (28.12.1903, Бу­да­пешт – 8.2.1957, Ва­шинг­тон), амер. ма­те­ма­тик и фи­зик. Окон­чил (1926) Бу­да­пешт­ский ун-т, в 1926–29 пре­по­да­вал в Бер­лин­ском, в 1929–30 в Гам­бург­ском, в 1930–1933 в Прин­стон­ском ун-те, с 1933 в Прин­стон­ском ин-те пер­спек­тив­ных ис­сле­до­ва­ний. С 1940 кон­суль­тант разл. ар­мей­ских и во­ен.-мор. уч­ре­ж­де­ний; при­ни­мал уча­стие в со­зда­нии атом­ной бом­бы. Н. внёс су­ще­ст­вен­ный вклад в раз­ви­тие мн. об­лас­тей ма­те­ма­ти­ки. Ему при­над­ле­жат ис­сле­до­ва­ния по ак­сио­ма­тич. тео­рии мно­жеств, ма­те­ма­тич. ло­ги­ке и тео­рии то­по­ло­гич. групп. Осн. тру­ды по функ­цио­наль­но­му ана­ли­зу – изу­чал, в ча­ст­но­сти, ал­геб­ры опе­ра­то­ров в гиль­бер­то­вом про­стран­ст­ве, во­про­сы, свя­зан­ные с эр­го­дич. тео­ри­ей, и при­ме­не­ния функ­цио­наль­но­го ана­ли­за в кван­то­вой ме­ха­ни­ке. В ра­бо­тах Н. (1920–40) по ма­те­ма­тич. об­осно­ва­нию кван­то­вой ме­ха­ни­ки (не­ко­то­рые из них на­пи­са­ны с со­ав­то­ра­ми, сре­ди ко­то­рых – Дж. Бирк­гоф, Ю. Виг­нер, Д. Гиль­берт) вве­де­ны фун­дам. по­ня­тия этой нау­ки, та­кие как век­тор со­стоя­ния, ам­пли­ту­да ве­ро­ят­но­сти, и её язы­ком стал язык опе­ра­то­ров, дей­ст­вую­щих в гиль­бер­то­вом про­стран­ст­ве со­стоя­ний. Ин­те­ре­сы Н. бы­ли свя­за­ны так­же с тео­ри­ей игр; в 1928 он ус­та­но­вил тео­ре­му о ми­ни­мак­се, став­шую ос­но­вой этой тео­рии. В по­след­ние го­ды жиз­ни ин­те­ре­сы Н. бы­ли свя­за­ны гл. обр. с тео­ри­ей ав­то­ма­тов и тео­ре­тич. ос­но­ва­ми раз­ра­бот­ки ЭВМ. В 1945 Н. сфор­му­ли­ро­вал осн. прин­ци­пы по­ст­рое­ния и фун­к­цио­ни­ро­ва­ния (ар­хи­тек­ту­ру) ЭВМ (т. н. прин­ци­пы фон Ней­ма­на): ЭВМ до­лж­на ра­бо­тать в дво­ич­ной си­сте­ме счи­сле­ния и быть эле­кт­рон­ной; со­стоять из ариф­ме­тич. устрой­ст­ва и устрой­ст­ва уп­рав­ле­ния (совр. про­цес­сор), устройств вво­да-вы­во­да и па­мя­ти; ма­шин­ная про­грам­ма вме­сте с об­ра­ба­ты­вае­мы­ми дан­ны­ми долж­на хра­нить­ся в за­по­ми­наю­щем устрой­ст­ве (па­мя­ти), по­сколь­ку это по­зво­лит из­ме­нять про­грам­му в хо­де её вы­пол­не­ния.

Книга «Вычислительная машина и мозг» Нейман Д фон

Вычислительная машина и мозг

Информационные технологии кардинально изменили жизнь человека, затронув каждую ее сторону — от бизнеса и науки до политики и искусства. Искусственный интеллект перестал быть фантастикой и сделался реальностью. И именно эта всесторонняя компьютеризация общества поставила перед нами новый фундаментальный вопрос: какова разница между интеллектом искусственным и интеллектом человеческим и есть ли она вообще? Джон фон Нейман в своей поистине пророческой, выдержавшей испытание временем и до сих пор регулярно переиздающейся книге утверждает: такая разница минимальна. Несмотря на все различия в архитектуре и строительных блоках мозга и вычислительной машины, искусственный интеллект тем не менее способен имитировать работу мозга.

Поделись с друзьями:

Издательство:

АСТ

Год издания:

2018

Место издания:

Москва

Язык текста:

русский

Язык оригинала:

английский

Перевод:

Чечина А.

Тип обложки:

Твердый переплет

Формат:

84х108 1/32

Размеры в мм (ДхШхВ):

205x130x18

Вес:

270 гр.

Страниц:

192

Тираж:

2000 экз.

Код товара:

965631

Артикул:

ASE000000000837155

ISBN:

978-5-17-111540-1

В продаже с:

01.12.2018

Аннотация к книге «Вычислительная машина и мозг» Нейман Д. фон:
Информационные технологии кардинально изменили жизнь человека, затронув каждую ее сторону — от бизнеса и науки до политики и искусства. Искусственный интеллект перестал быть фантастикой и сделался реальностью. И именно эта всесторонняя компьютеризация общества поставила перед нами новый фундаментальный вопрос: какова разница между интеллектом искусственным и интеллектом человеческим и есть ли она вообще?
Джон фон Нейман в своей поистине пророческой, выдержавшей испытание временем и до сих пор регулярно переиздающейся книге утверждает: такая разница минимальна. Несмотря на все различия в архитектуре и строительных блоках мозга и вычислительной машины, искусственный интеллект тем не менее способен имитировать работу мозга. Читать дальше…

Архитектура фон Неймана — обзор

2 Современные микропроцессорные компьютерные системы

Базовая физическая организация современного компьютера, основанная на модели архитектуры фон Неймана , состоит из 5 единиц, а именно памяти, управления, арифметики и логики. , ввод и вывод. Центральный процессор (CPU) включает в себя блоки управления и арифметико-логические блоки. Функционирование компьютера — это в точности выполнение инструкций для обработки данных его процессором.Инструкции представляют собой примитивные операции, которые может выполнять ЦП, такие как перемещение содержимого ячейки памяти (называемой регистром ) в другую ячейку памяти ЦП или добавление содержимого двух регистров ЦП. Блок управления извлекает данные / инструкции из системной памяти или основной памяти , иногда также называемой памятью с произвольным доступом (RAM). Затем данные обрабатываются арифметико-логическим блоком последовательно согласно инструкциям, декодированным блоком управления.Хранение как данных, так и инструкций в одном основном блоке памяти — важная особенность архитектуры фон-Неймана. Блоки ввода и вывода обеспечивают интерфейс между компьютером и человеком.

Не только ЦП, но и система памяти играет решающую роль в определении общей вычислительной производительности компьютера. Система памяти современного компьютера сложна. Между ЦП и основной памятью размещается ряд меньших и более быстрых модулей памяти, называемых кэш-памятью или просто кэш-памятью .Идея кэш-памяти состоит в том, чтобы переносить только некоторую часть программных данных, необходимых в настоящее время из основной памяти, в кэш для ускорения доступа к данным со стороны ЦП. Кэш-память формирует иерархию памяти, состоящую из ряда уровней с учетом их удаленности от ЦП. Время доступа , и , размер данных увеличивается по мере удаления уровня иерархии от ЦП. Иерархия памяти (объединение меньших и более быстрых кэшей с большей, более медленной и дешевой основной памятью) большую часть времени ведет себя как быстрая и большая память.В основном это связано с тем, что кеши должны использовать свойство локальности ссылок на память, также называемое принципом локальности , который часто проявляется компьютерными программами. Общие типы опорной местности включают пространственную местность (местную в пространстве) и временную местность (местную во времени). Пространственная локальность ссылки возникает, когда программа обращается к данным, которые хранятся непрерывно (например, к элементам массива) в течение короткого периода времени.Кеши используются для использования этой особенности пространственной локальности путем предварительной выборки из основной памяти некоторых данных, смежных с запрошенным, в кэш. Временная локальность ссылки возникает, когда программа снова обращается к используемому элементу данных через короткий промежуток времени (например, в цикле). Кеши используются для использования этой функции временной локальности путем сохранения недавно использованных данных в кэше в течение определенного периода времени. Обратите внимание, что местонахождение ссылки является свойством компьютерных программ, но используется при проектировании системы памяти через кеши.Это определенно указывает на то, что во время кодирования программист должен позаботиться о разработке кода таким образом, чтобы улучшить оба типа ссылочных мест для эффективного использования кэша. Это может быть достигнуто путем кодирования таким образом, чтобы доступ к данным осуществлялся последовательно / непрерывно, а при повторном использовании к данным можно было получить доступ снова как можно скорее.

Современный ЦП (микропроцессор) выполняет (как минимум) одну инструкцию за такт. Каждый тип архитектуры ЦП имеет свой уникальный набор инструкций, который называется архитектурой набора команд (ISA).Архитектура набора команд компьютера может представлять собой язык, который компьютер может понимать. В зависимости от типа ISA существует два важных класса современных компьютерных архитектур (на основе микропроцессоров): архитектура CISC (компьютер со сложным набором команд) и архитектура RISC (компьютер с сокращенным набором команд). Базовая архитектура CISC — это, по сути, архитектура фон Неймана в том смысле, что как инструкции, так и данные хранятся в общем блоке памяти.С другой стороны, базовая архитектура RISC имеет два полностью отдельных пространства памяти для инструкций и данных, что является функцией, которая была впервые введена в архитектуре Гарварда для преодоления узкого места в архитектуре фон Неймана из-за общих путей данных и инструкций между процессор и память. Философия CISC заключается в том, что ISA имеет большое количество инструкций (а также режимов адресации) с различным количеством требуемых тактовых циклов и временем выполнения. Также определенные инструкции могут выполнять несколько примитивных операций.Философия RISC заключается в том, что ISA имеет небольшое количество примитивных инструкций для упрощения производства оборудования, и поэтому сложные операции выполняются на программном уровне путем комбинирования более простых. В силу самой своей природы архитектура RISC обычно считается более быстрой и эффективной, чем сопоставимая архитектура CISC. Однако в связи с продолжающимся поиском улучшений и гибкости, сегодня ЦП, выполняющий ISA на основе CISC, может демонстрировать определенные характеристики RISC и наоборот.Таким образом, возможности архитектур CISC и RISC трансформируются друг в друга. Примеры классической архитектуры CISC включают VAX (от DEC), PDP-11 (от DEC), Motorola 68000 (от Freescale / Motorola) и x86 (в основном от Intel). Современная архитектура CISC, x86-64, основанная на процессорах, таких как Pentium (от Intel) и Athlon (от AMD), в основном произошла от классической архитектуры CISC x86, но они демонстрируют несколько функций RISC. В настоящее время Xeon (от Intel) и Opteron (от AMD) — два довольно известных рыночных символа, основанных на архитектуре x86-64.Известные примеры архитектуры RISC включают MIPS (от MIPS Technologies), POWER (в основном от IBM), SPARC (в основном от SUN / Oracle), ALPHA (от DEC) и ARM для встроенных систем (от ARM Ltd.).

Сегодня Intel и AMD — два основных производителя микропроцессоров, каждый со своей собственной линейкой архитектур ЦП. Процессоры x86-64 от Intel и AMD, в основном возникшие как архитектуры CISC, теперь включают ряд функций RISC, особенно для обеспечения параллелизма на уровне инструкций – ILP (подробности позже).Интересно, что сегодня микропроцессоры (от Intel и AMD) реализуют функцию RISC раздельного пространства памяти для данных и инструкций (по крайней мере, для кеш-памяти уровня 1).

Еще одна главная особенность современного ЦП состоит в том, что несколько ядер ЦП объединены на одном кристалле / кристалле с общим интегрированным контроллером памяти для всех ядер. Первоначально двухъядерные процессоры были представлены примерно в 2005 году, но с 2013 года на рынке стали широко доступны 12/16-ядерные процессоры, хотя цена может возрасти в разы с линейным увеличением количества ядер на чип. .Более того, получение максимальной производительности от большего количества ядер в одном кристалле ЦП в настоящее время является сложной задачей, в основном из-за ограничений пропускной способности памяти. Многоядерный процессор обеспечивает большее количество тактовых циклов, суммируя тактовые циклы, вносимые каждым из его ядер. Таким образом, хорошо известный закон Мура сохраняет силу даже сегодня в некоторой степени. Фактически, они обеспечивают решение проблем высоких требований к мощности и отводу тепла, реализуемых в случае, когда все ядра находятся в отдельных микросхемах ЦП, а не являются частью одной микросхемы ЦП [4].Увеличение тактовой частоты одного ядра ЦП (на основе кремния) практически невозможно из-за физических и практических препятствий. Многоядерная технология — это предложенное и приемлемое решение этого ограничения.

Еще одно сложное архитектурное новшество в нескольких современных архитектурах ЦП — возможность многопоточности на ядро ​​ЦП. Физическое ядро ​​обеспечивает более одного (обычно двух) логических процессоров , которые могут быть полезны для данного приложения.Общие реализации этой концепции включают гиперпоточность , симметричную многопоточность (SMT) и чиповую многопоточность (CMT). Краткое введение в эту тему и общие характеристики современных процессоров дано Хагером и Веллейном ([5], 1–36). В следующих разделах обсуждаются последствия некоторых архитектурных особенностей современных процессоров (особенно многоядерных, многопоточных и ILP).

Архитектура фон Неймана — компьютерные науки GCSE GURU

Архитектура фон Неймана была впервые опубликована Джоном фон Нейманом в 1945 году.

Его компьютерная архитектура состоит из блока управления, арифметического и логического блока (ALU), блока памяти, регистров и входов / выходов.

Архитектура фон Неймана основана на концепции компьютера с хранимой программой, где данные команд и данные программы хранятся в одной и той же памяти. Эта конструкция до сих пор используется в большинстве компьютеров, производимых сегодня.

Центральный процессор (ЦП)

Центральный процессор (ЦП) — это электронная схема, отвечающая за выполнение инструкций компьютерной программы.

Иногда его называют микропроцессором или процессором.

CPU содержит ALU, CU и множество регистров.

Регистры

Регистры — это области высокоскоростной памяти в ЦП. Все данные должны храниться в регистре, прежде чем их можно будет обработать.

Арифметический и логический блок (ALU)

ALU позволяет выполнять арифметические (сложение, вычитание и т. Д.) И логические (И, ИЛИ, НЕ и т. Д.) Операции.

Блок управления (CU)

Блок управления управляет работой ALU компьютера, памяти и устройств ввода / вывода, сообщая им, как реагировать на программные инструкции, которые он только что прочитал и интерпретировал из блока памяти.

Блок управления также обеспечивает синхронизирующие и управляющие сигналы, необходимые для других компонентов компьютера.

---

Шины

Шины — это средства, с помощью которых данные передаются из одной части компьютера в другую, соединяя все основные внутренние компоненты с ЦП и памятью.

Стандартная системная шина ЦП состоит из шины управления, шины данных и шины адреса.

Адресная шина	Передает адреса данных (но не данных) между процессором и памятью
Шина данных	Передает данные между процессором, блоком памяти и устройствами ввода / вывода
Шина управления	Передает управляющие сигналы / команды от ЦП (и сигналы состояния от других устройств) для управления и координации всех действий внутри компьютера

---

Блок памяти

Блок памяти состоит из ОЗУ , иногда называемая основной или основной памятью.В отличие от жесткого диска (вторичной памяти), эта память работает быстро и напрямую доступна для ЦП.

Оперативная память разбита на разделы. Каждый раздел состоит из адреса и его содержимого (оба в двоичной форме).

Адрес будет однозначно идентифицировать каждое место в памяти.

Загрузка данных из постоянной памяти (жесткого диска) в более быструю и непосредственно доступную временную память (RAM) позволяет процессору работать намного быстрее.

Компьютерная организация | Архитектура фон Неймана

Исторически существовало 2 типа компьютеров:

1. Компьютеры с фиксированной программой — Их функции очень специфичны, и их нельзя было программировать, например.г. Калькуляторы.
2. Компьютеры с сохраненными программами — Их можно запрограммировать для выполнения множества различных задач, на них хранятся приложения, отсюда и название.

Современные компьютеры основаны на концепции хранимых программ, введенной Джоном фон Нейманом. В этой концепции хранимых программ программы и данные хранятся в отдельном запоминающем устройстве, называемом памятью, и обрабатываются одинаково. Эта новая идея означала, что компьютер, построенный с такой архитектурой, будет намного проще перепрограммировать.

Базовая структура похожа на

Он также известен как компьютер IAS и имеет три основных блока:

1. Центральный процессор (ЦП)
2. Блок основной памяти
3. Вход / Устройство вывода

Рассмотрим их подробнее.

• Блок управления —

  Блок управления (CU) обрабатывает все управляющие сигналы процессора. Он направляет весь поток ввода и вывода, извлекает код для инструкций и контролирует, как данные перемещаются в системе.

• Арифметико-логический блок (ALU) —

  Арифметико-логический блок — это та часть ЦП, которая обрабатывает все вычисления, которые могут потребоваться ЦП, например Сложение, вычитание, сравнения. Он выполняет логические операции, операции сдвига битов и арифметические операции.

  
  

  Рисунок — Базовая структура ЦП, иллюстрирующая ALU
• Блок оперативной памяти (регистры) —
  1. Накопитель: Хранит результаты вычислений, выполненных ALU.
  2. Программный счетчик (ПК): Отслеживает расположение в памяти следующих инструкций, которые необходимо обработать. Затем ПК передает следующий адрес в регистр адреса памяти (MAR).
  3. Регистр адреса памяти (MAR): Он хранит ячейки памяти с инструкциями, которые необходимо извлечь из памяти или сохранить в памяти.
  4. Регистр данных памяти (MDR): В нем хранятся инструкции, извлеченные из памяти, или любые данные, которые должны быть переданы и сохранены в памяти.
  5. Регистр текущих команд (CIR): В нем хранятся последние выбранные команды, пока они ожидают кодирования и выполнения.
  6. Регистр буфера команд (IBR): Команда, которая не должна выполняться немедленно, помещается в регистр буфера команд IBR.
• Устройства ввода / вывода — Программа или данные считываются в основную память из устройства ввода или вторичного хранилища под управлением команды ввода ЦП. Устройства вывода используются для вывода информации с компьютера. Если какие-то результаты оцениваются компьютером и сохраняются в компьютере, то с помощью устройств вывода мы можем представить их пользователю.
  
• Шины — Данные передаются от одной части компьютера к другой, соединяя все основные внутренние компоненты с ЦП и памятью с помощью шин. Типы:
  1. Шина данных: Он передает данные между блоком памяти, устройствами ввода-вывода и процессором.
  2. Адресная шина: Она передает адрес данных (не фактических данных) между памятью и процессором.
  3. Шина управления: Она передает команды управления от ЦП (и сигналы состояния от других устройств), чтобы контролировать и координировать все действия внутри компьютера.

Узкое место фон Неймана —
Что бы мы ни делали для повышения производительности, мы не можем избежать того факта, что инструкции могут выполняться только по одной, а могут выполняться только последовательно.Оба эти фактора сдерживают компетентность ЦП. Это обычно называют «узким местом фон Неймана». Мы можем предоставить процессор фон Неймана с большим объемом кэш-памяти, большим объемом оперативной памяти или более быстрыми компонентами, но если необходимо добиться первоначального прироста производительности процессора, тогда необходимо провести серьезную проверку конфигурации процессора.

Эта архитектура очень важна и используется в наших ПК и даже в суперкомпьютерах.

Вниманию читателя! Не прекращайте учиться сейчас. Практикуйте экзамен GATE задолго до самого экзамена с помощью предметных и общих викторин, доступных в курсе серии тестов GATE .

Изучите все концепции GATE CS с бесплатными живыми классами на нашем канале YouTube.

Модель фон Неймана — javatpoint

Фон-Нейман предложил свою компьютерную архитектуру в 1945 году, которая позже была известна как Архитектура фон-Неймана. Он состоял из блока управления, арифметического устройства и блока логической памяти (ALU), регистров и входов / выходов.

Архитектура

фон Неймана основана на концепции компьютера с хранимой программой, где данные команд и данные программы хранятся в одной и той же памяти.Эта конструкция до сих пор используется в большинстве компьютеров, производимых сегодня.

Компьютер на базе фон Неймана:

• Использует один процессор
• Использует одну память для инструкций и данных.
• Выполняет программы, следующие за циклом выборки-декодирования-выполнения

Компоненты модели Фон-Неймана:

• Центральный процессор
• Автобусы
• Блок памяти

Центральный процессор

Часть компьютера, которая выполняет большую часть операций по обработке данных, называется центральным процессором и называется ЦП.

Центральный процессор также можно определить как электрическую цепь, отвечающую за выполнение инструкций компьютерной программы.

ЦП выполняет множество функций, определяемых типом инструкций, встроенных в компьютер.

Основными компонентами ЦП являются арифметический и логический блок (ALU), блок управления (CU) и множество регистров.

Арифметико-логический блок (ALU)

Арифметико-логический блок (ALU) выполняет необходимые микрооперации для выполнения инструкций.Проще говоря, ALU позволяет выполнять арифметические (сложение, вычитание и т. Д.) И логические (И, ИЛИ, НЕ и т. Д.) Операции.

Блок управления

Блок управления компьютерной системы управляет работой таких компонентов, как ALU, память и устройства ввода / вывода.

Управляющий модуль состоит из программного счетчика, который содержит адрес инструкций, которые должны быть выбраны, и регистра команд, в который инструкции выбираются из памяти для выполнения.

Регистры

Регистры относятся к высокоскоростным областям хранения в ЦП. Данные, обрабатываемые ЦП, берутся из регистров.

Ниже приводится список регистров, которые играют решающую роль в обработке данных.

Регистры	Описание
MAR (регистр адреса памяти)	Этот регистр содержит ячейку памяти с данными, к которым необходимо получить доступ.
MDR (регистр данных памяти)	В этом регистре хранятся данные, которые передаются в память или из памяти.
AC (аккумулятор)	В этом регистре хранятся промежуточные арифметические и логические результаты.
ПК (счетчик программ)	Этот регистр содержит адрес следующей инструкции, которая должна быть выполнена.
CIR (Текущий регистр команд)	Этот регистр содержит текущую инструкцию во время обработки.

Автобусы

Шины — это средства, с помощью которых информация распределяется между регистрами в системе конфигурации с несколькими регистрами.

Структура шины состоит из набора общих линий, по одной для каждого бита регистра, через которые двоичная информация передается по одной за раз. Сигналы управления определяют, какой регистр выбирается шиной во время каждой конкретной передачи регистров.

Архитектура фон Неймана состоит из трех основных шинных систем для передачи данных.

Шина управления

Автобус	Описание
Адресная шина	Адресная шина передает адрес данных (но не данных) между процессором и памятью.
Шина данных	Шина данных передает данные между процессором, блоком памяти и устройствами ввода / вывода.
Шина управления	передает сигналы / команды от ЦП.

Блок памяти

Блок памяти — это набор ячеек памяти вместе со связанными схемами, необходимыми для передачи информации в хранилище и из нее. В памяти хранится двоичная информация в группах битов, называемых словами. Внутренняя структура блока памяти определяется количеством содержащихся в нем слов и количеством битов в каждом слове.

В компьютерных системах используются два основных типа памяти:

1. RAM (оперативная память)
2. ROM (постоянная память)

Джон фон Нейман — биография, история и изобретения

---

Джон фон Нейман — биография, история и изобретения

Знаменитый математик Джон Луи фон Нейман (1903-1957) родился в зажиточной еврейской семье в Будапеште, Австро-Венгерская империя, как Янош Лайош фон Нейман.Вундеркинд, Янош получил докторскую степень. получил степень по математике в Университете Пазмань Петер в Будапеште в возрасте 22 лет, одновременно получив диплом специалиста по химическому инжинирингу ETH Zurich в Швейцарии. С 1926 по 1930 год он преподавал в качестве приват-доцента в Берлинском университете, самом молодом в его истории. К 25 годам он уже опубликовал десяток крупных статей.

Джон фон Нейман эмигрировал в Соединенные Штаты как раз вовремя — в 1930 году, когда его пригласили в Принстонский университет, и впоследствии он был одним из первых четырех человек, выбранных на факультет Института перспективных исследований (двое других будучи Альбертом Эйнштейном и Куртом Гёделем!), где он оставался профессором математики с момента его образования в 1933 году до своей смерти.

Фон Нейман был важной фигурой в информатике.

Использование памяти в цифровых компьютерах для хранения как последовательностей инструкций, так и данных было прорывом, в который фон Нейман внес большой вклад.

В 1945 году, консультируя Школу электротехники Мура по проекту EDVAC, фон Нейман написал неполный набор заметок, названных «Первый проект отчета по EDVAC». Этот широко распространенный документ заложил основы компьютерной архитектуры, в которой данные и программа хранятся в памяти компьютера в одном и том же адресном пространстве, которое будет описано позже как von Neumann Architecture (см. Нижний рисунок).Эта архитектура стала стандартом de facto на долгое время и используется до сих пор (до тех пор, пока технологии не позволили использовать более продвинутые архитектуры).

Фон Нейман также создал область клеточных автоматов без помощи компьютеров, построив первые самовоспроизводящиеся автоматы с карандашом и миллиметровой бумагой. Концепция универсального конструктора была конкретизирована в его посмертной работе «Теория самовоспроизводящихся автоматов» (на основе лекций, прочитанных в нескольких университетах в 1948 году).Он описал то, что стало известно как универсальный конструктор фон Неймана , самовоспроизводящуюся машину в среде клеточных автоматов. Он также доказал, что наиболее эффективным способом выполнения крупномасштабных операций по добыче полезных ископаемых, таких как добыча всей планеты или пояса астероидов, было бы использование самовоспроизводящихся машин, используя преимущества их экспоненциального роста.

Фон Нейману приписывают по крайней мере один вклад в изучение алгоритмов. Известный компьютерный ученый Дональд Кнут цитирует фон Неймана как изобретателя (в 1945 г.) алгоритма сортировки слиянием , в котором первая и вторая половины массива рекурсивно сортируются, а затем объединяются вместе.Его алгоритм имитации честной монеты со смещенной монетой используется на этапе программного отбеливания некоторых аппаратных генераторов случайных чисел.

В 1956 году фон Нейман написал свою (опубликованную посмертно) книгу Компьютер и мозг , в которой обсуждает, как мозг можно рассматривать как вычислительную машину. Книга носит умозрительный характер, но в ней обсуждаются несколько важных различий между мозгом и компьютерами того времени (например, скорость обработки и параллелизм), а также предлагаются направления будущих исследований.Память — одна из центральных тем его книги.

контекстов парадокса

контекстов парадокса Джон фон Нейман: отец современности Компьютер Декабрь 2003 г. Позже в этом месяце (28 декабря) исполняется 100 лет со дня основания. рождение Джона фон Неймана, американца венгерского происхождения математик, который, среди своих многочисленных достижений, был создатель основного принципа компьютерного дизайна, известного как архитектура фон Неймана.»Компьютеры фон Неймана предки сегодняшних настольных и портативных компьютеров.

Основная особенность компьютера фон Неймана состоит в том, что программа и любые данные хранятся вместе, обычно в носитель данных с медленным доступом, такой как жесткий диск, и переносится по мере необходимости в более быстрое и энергозависимое хранилище носитель (RAM) для выполнения или обработки центральным процессор (ЦП). Так как практически все сегодня компьютеры работают, термин «архитектура фон Неймана» редко встречается используется сейчас, но это было обычным языком в вычислительной технике профессии до начала 1970-х годов.Когда фон Нейман Предложил эту архитектуру в 1945 году, это была радикальная идея. До тогда программы рассматривались как по существу часть машины, и, следовательно, отличаются от данных, с которыми работала машина. А общий подход заключался в том, чтобы ввести программу с помощью некоторого физического средств, таких как подключение коммутационной панели, а затем подача данные для программы.

В 1945 году в своем первом проекте отчета о EDVAC [запланированный преемник машины ENIAC, один из первых американских компьютеры], фон Нейман предложил хранимую программу концепция.Идея возникла в результате обсуждений, которые он вел с несколькими другие пионеры компьютеров, среди них Дж. Преспер Эккерт, Джон Мочли, Артур Бёркс и Герман Голдстайн, которые были работаю над планами по EDVAC. Что должно было стать известно как впоследствии была изложена архитектура фон Неймана более подробно в статье 1946 года, написанной фон Нейманом, Берксом и Голдстайна под названием «Предварительное обсуждение логической схемы Электронный вычислительный прибор «.

[Честно говоря, другие пионеры компьютеров, упомянутые выше — и еще несколько, которых я не перечислил — активно участвовали в разработка архитектуры, которая должна была нести название.Фон Нейман получил главную заслугу у некоторых степень, потому что он был тем, кто задокументировал идеи, кто разработал концепции, и кто взял на себя расскажи остальному миру о своей работе. Но в основном он получил слава, потому что он был уже известен и по своей природе магнит для общественного внимания — о чем я расскажу больше всего через момент.]

Строго говоря, компьютер фон Неймана — это нечто большее. чем простой факт, что инструкции и данные хранятся в та же среда.Согласно исходным документам, предлагающим Новая архитектура компьютера фон Неймана состоит из пяти частей: арифметико-логический блок, блок управления, память, некоторая форма ввод / вывод и шина, которая обеспечивает путь данных между эти части. Такой компьютер работает, выполняя следующая последовательность шагов:

1. Извлеките следующую инструкцию из памяти по адресу в счетчик команд.

2. Добавьте длину инструкции к счетчику программ.

3. Расшифруйте инструкцию с помощью блока управления. Блок управления приказывает остальной части компьютера выполнить некоторую операцию. Инструкция может изменить адрес в программном счетчике, разрешение повторяющихся операций. Инструкция может также изменять программный счетчик только в том случае, если выполняется какое-либо арифметическое условие. правда, что дает эффект решения, который может быть рассчитан на любой степени сложности по предыдущей арифметике и логике.

4.Вернитесь к шагу 1.

Даже в первые дни развития вычислительной техники очень немногие компьютеры имели чистая архитектура фон Неймана, и сегодня никто не делает того, что я в курсе. Например, инженеры обычно добавляют еще один шаг для проверки прерываний, которые позволяют компьютеру делать другие вещи пока он ожидает завершения событий.

У компьютеров фон Неймана есть некоторые недостатки. В частности, они выполняют инструкции одну за другой, в единой линейной последовательность, и они тратят много времени, перемещая данные в из памяти.Это замедляет работу компьютера — проблема называется узкое место фон Неймана. Один из способов обойти фон Узкое место Неймана — построить компьютер так, чтобы он работал параллельные операции (так называемая параллельная обработка). Другой распространенный трюк — разделить автобус на два или более автобуса, один для инструкций, другой для данных. Но такие модификации на самом деле не представляют собой ничего большего, чем вариации оригинала архитектура. Фактически, ПК на вашем столе сегодня это машина фон Неймана.

Компьютер EDVAC, когда он был окончательно построен в 1952 году, последовал за разработкой фон Неймана, но первый фон Нейман компьютер, который будет сконструирован и эксплуатируется, был Манчестерским Mark I, спроектированный и построенный в Манчестерском университете в Англии, который запустил свою первую программу в 1948 году. Он имел память на 96 слов, и выполнил инструкцию за 1,2 миллисекунды. Хотя такие спектакль в то время считался феноменальным, в сегодняшняя терминология «MIPS» — миллионы инструкций в секунду — Знак, который я бы поставил на мучительно медленный 0.00083 MIPS. По напротив, чип IBM G5, на котором установлены новейшие ПК Macintosh, гудит со скоростью 1000 MIPS, что более чем в миллион раз быстрее.

*************************** Джон фон Нейман родился Янош Ньюманн в Будапеште, Венгрия 28 декабря 1903 года, старший из трех братьев. Его отец, Макс Нойман, был банкиром, его мать, Маргит, происходил из богатой еврейской семьи Канн. В детстве в Венгрия, Янош назывался уменьшительной формой своего имени, Jancsi.Позже, уже будучи взрослым человеком, живущим в США, его друзья назвал его Джонни.

Семья не была особо религиозной, и при антисемитизме начал расти по всей Европе во втором десятилетии двадцатого века, они стали номинально католиками. В В 1913 году его отец также купил титул, дав семье имя «Нойман фон Маргитта», которое взрослый Джон позже сокращенно «фон Нейман».

Джон был не по годам развитым интеллектуальным и фотографическим объем памяти.В детстве он научился говорить по-немецки, по-французски, и классический греческий, и накопил энциклопедические знания исторических событий. Его любимый трюк на вечеринке заключался в том, чтобы запомнить страница телефонной книги. Он просил посетителя Неймана, чтобы выбрать страницу книги, которую он затем прочитал бы несколько раз. Затем он передал закажите обратно посетителю и попросите его провести тест на странице, скажем, назвав ему имя и спросив номер телефона, или заставить его произнести последовательность имен, адресов и номера по порядку.Он редко ошибался.

Когда в 1911 году Джон поступил в местную школу, ему было 8 лет. учитель математики сразу признал его гений, и организовал специальное обучение у Габора Сего, известного математик Будапештского университета. Это наверняка было стало легче благодаря тому, что в одной школе всего один год впереди Джона был еще один будущий математический гигант, Евгений Вигнер. К тому времени, когда Джон завершил свое среднее образование в 1921 году его успехи в математике были очевидны всем, и он был принят на изучение математики в Университет г. Будапешт.

К сожалению, любовь Джона к математике не встретила его одобрение отца, когда дело дошло до решения, в чем учиться Университет. Макс Нойман хотел, чтобы его сын подготовился к карьере в бизнесе. Когда Джон дал понять, что бизнес-исследования были ему не по душе, отец и сын остановились на химии как на предмет компромисса. Так Джон поступил в Университет Берлина на специальность химия, чтобы угодить своему отцу, в то время как одновременно с поступлением в Будапештский университет на учебу математике, договорившись о том, чтобы быть наставником — дистанционно — у там молодой помощник.Невозможность присутствовать на каком-либо из лекции по математике в Будапеште явно не помешали Иоанну прогресс; в следующем году он написал свою первую математику бумага, совместно с его наставником. В 1926 году он был награжден дипломом. в области химического машиностроения Цюрихского университета, где он переведен из Берлина в 1923 году и получил докторскую степень в математика из Будапешта. Тема его диссертации по математике была теория множеств, основополагающий предмет которой все еще находится в зачаточном состоянии. время.

К 25 годам фон Нейман — очевидно, теперь математик, а не химик — был математиком знаменитость, известная во всем мире математических сообщество. После получения докторской степени. он провел год с великий Давид Гильберт в Геттингене, читал лекции в Берлине и Гамбург. В дополнение к его работе в теории множеств, он сделал новаторская работа в теории меры, теории реальных переменные и теория игр. Не довольствуясь этим, он также обратил свое внимание на квантовую теорию, где за два года период 1927-29 гг. он более или менее единолично разработал вся математическая основа предмета, новаторская работа это привело к приглашению поехать в Принстон.Его результаты исследований в течение этого раннего европейского периода его профессиональной карьеры примерно одна газета в месяц. (Комитеты по землевладению в настоящее время университеты обычно рассматривают одну или две работы в год как свидетельствует о хорошем математическом исследователе!)

Фон Нейман отправился в Принстон в 1930 году, через год после того, как он женился на своей невесте Мариетте Ковеси, блестящей хозяйке студент Будапештского университета и ведущая фигура в социальная ночная жизнь венгерской столицы.В Принстоне он стал одним из шести профессоров-основателей математики (вместе с с Альбертом Эйнштейном) в недавно созданном Институте перспективных Изучение. Хотя восхождение Адольфа Гитлера в Германии со временем сделало невозможным его возвращение в Европу даже на короткое время. посещает, как он делал каждое лето в начале 1930-х годов, его причина за то, что сделал Принстон своим постоянным домом, что он и сделал, было полностью академический; он не был беженцем.

Фон Нейман и Мариетта родили дочь Марину в 1936 году. но в следующем году их брак закончился разводом.Год позже он женился на Кларе Дан, венгерской двукратной разведенной, с которой он встретился во время одного из своих летних визитов в Европу. В США Штаты, Клара позже стала одним из первых в мире компьютеров. программисты, пишущие код для решения математических задач на компьютеры.

Всегда гурман и любвеобильный, фон Нейман был энергичный, хотя и консервативный, костюмер, который легко мог быть ошибочно принимают за богатого менеджера банка. Он показал отличный интерес к людям и был неизлечимой сплетней и отличным рассказчик.Он также имел репутацию явно приземленного чувство юмора. Фон Нейманны привезли в Принстон несколько аромата ночной жизни в стиле Карбаре, которую Джон нашел так соблазнительно, находясь в Берлине в 1920-е годы. Длинные, дикие вечеринки он и Клара регулярно бросала в их доме в Принстоне, вскоре стало известный.

В связи с ростом вероятности войны в конце 1930-х годов фон Нойман стал больше концентрироваться на применимых областях математики, будучи уверенным, что математика сыграет важную роль в, казалось бы, неизбежном грядущем конфликте, который действительно так оно и было.Он проводил исследования в области нелинейных частных производных. уравнения, возникающие в гидродинамике и теории ударные волны, работа, которая привела к его участию в Манхэттене Проект создания первой атомной бомбы. Его исследования в этом области привели к убеждению, что ключ лежит в развитии численные методы для решения уравнений (в отличие от использования классические методы исчисления, которые обычно терпят неудачу виды проблем, которые возникают в реальной жизни).Использование числовых методы решения требовали построения вычислительной устройства для проведения численных расчетов, которые привели к другой интерес, который он начал преследовать с удвоенной силой. Скоро большую часть своего времени он проводил между двумя областями: дизайн компьютеров и теории игр. Этот последний предмет, по сути, основана публикацией в 1944 году классического произведения фон Неймана. книга с Оскаром Могернштерном, Теория игр и Economic Behavior, должен был стать опорой обоих экономика и политическое / военное планирование.

В результате своей работы в военное время, в начале периода холодной войны, фон Нейман пользовался большим спросом как консультант вооруженных сил, и ему явно нравилось гулять по коридорам или власть — и социальная жизнь, которая может сопровождаться такой деятельностью для любой, у кого есть вкус к светской жизни. Среди множества позиций он проводил в 1040-х и 50-х годах, он был членом Научно-консультативный комитет при баллистических исследованиях Лаборатории на Абердинском полигоне в Мэриленде, член Военно-морского бюро вооружений, консультант Лос-Аламосская научная лаборатория, член Вооруженной Силы специального оружия проекта, и член атомной Энергетическая комиссия.В то же время он получил множество награды математического сообщества, в том числе избрание в Национальной академии наук и являясь президентом Американское математическое общество с 1951 по 1953 год. награжден медалью США за заслуги в 1947 году и медалью США за Свобода в 1956 г.

Джон фон Нейман умер от рака 8 февраля 1957 года в возрасте. всего 54. Трагически ранний возраст для мира, чтобы потерять одну из настоящие гиганты науки двадцатого века.

---

Угол Девлина обновлен в начале каждого месяца.

---

Математик Кейт Девлин ( [email protected]) является Исполнительный директор Центра Изучение языка и информации в Стэнфордский университет и «The Math Guy» на NPR Выходное издание. Его последняя книга Проблемы тысячелетия: Семь Величайшие нерешенные математические головоломки нашего времени, только что опубликованный в мягкой обложке от Basic Books, впервые опубликовано в твердом переплете Последняя неудача.

---

Президенты AMS: Джон фон Нейман

Президент 1951–1952

к.э.н. Будапештский университет, Венгрия, 1926 г.

Джон фон Нейман, пожалуй, наиболее известен своей работой на раннем этапе разработки компьютеров: будучи директором проекта электронных компьютеров в Принстонском институте перспективных исследований (1945-1955), он разработал MANIAC (математический анализатор, числовой интегратор и компьютер). , который в то время был самым быстрым компьютером в своем роде.Он также внес важный вклад в области математической логики, основ квантовой механики, экономики и теории игр.

Он родился в Будапеште и получил там степень бакалавра в области химического машиностроения до приезда в США. Его основным академическим назначением было должность профессора в Институт перспективных исследований, Принстон, штат Нью-Джерси, с 1933 года до своей смерти в 1957 году, а также работал над Манхэттенским проектом по разработке атомного оружия. Он начал изучение теории игр и вместе с Оскаром Моргенштерном написал классический текст Теория игр и экономического поведения .В 1938 году фон Нейман был удостоен Мемориальной премии AMS Bôcher. Он был одним из самых выдающихся и самых известных математиков, занимавших пост президента AMS, и членом Национальной академии наук США.

Дополнительная информация

• MR Профиль автора
• История вторых пятидесяти лет: Американское математическое общество, 1939-1988 гг.