科学故事冯?诺伊曼

Posted 2022-01-02

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    约翰?冯?诺伊曼
    电子计算机的出现，是科学技术发展史上的一个里程碑，它将影响到人类生活的各个领域，使我们今天进入了电子计算机的时代。
    电子计算机的历史不长，但是，人类创造计算工具、发展计算技术则有悠久的历史。中国是最古老计算工具“算筹”和“算盘”的发明地；中国古代创制的自动机械计时器、提花机等传到国外，对西方钟表制造技术和自动控制机械的发展作出了贡献。
    到了十七世纪，正是计算工具与钟表技术的结合的时代，在欧洲出现了最早的机械计算机。
    一六二四年，英国人埃德蒙?冈特设计了对数计算尺，其工作原理十分新颖。
    约损尼斯?开普勒（1571～1630，德国天文学家）曾设计过一台用于天文计算的计算机，它可以乘和陈运算，并有一个逢十进位的自动装置。
    一六四二年。法国数学家布莱斯?帕斯卡设计了一台计算机，可以进行加减运算，并能自动控制逢十进位。
    一六七三年，德国数学家威廉?莱布尼兹（ 1646～ 1716）公开表演了自己制作的计算机，能进行四则运算。
    第一次可以大批量生产的计算机是科尔马城的保险商人卡尔?托马斯（Car Thomas， 1785～ 1870）于一八二0年左右设计成功的。
    最著名的计算机设计师之一是彼得堡的机械师维尔戈特?奥德纳（1845～1905），他设计的一些重要零件仍然用在今大的计算机上。一八七四年，他表演了他的机器，以后他就在自已的工厂里生产这种计算机，还向国外出口，并在国际展览会上多次受奖。
    一七二二五年，法国的贝基尔?鲍钦发明了“穿孔纸带”；一八一0年，法国的约瑟夫?贾卡尔德（Joseph Marie Jacquard， 1752～ 1834）发明了“穿孔卡片”。用以控制自动织机的操作。这种穿孔纸带与卡片为后来计算机的设计所吸取。
    早期的计算机设计思想由英国数学家查理?巴贝奇（Charles Babege，1792～ 1871）推向了高峰。一八二二年，他设计了一种用于数表计算的“差分机”。它能根据设计者的安排自动完成整个运算过程，已经包含有程序设计的萌芽。
    一八三三年，他又构思了一种新的计算机?一分析机（Analytical Engine），这是历史上第一个具有运算器、存贮器、控制器、输入输出器等基本器件的通用数字计算机，它已经包括了现代计算机设计的一些主要思想。但是，由于当时的英国政府没有给与他经济上的支持，巴贝奇为他机器花费了五十年的心血，也没有成功。
    一八八四年，美国的赫尔曼?霍勒里斯（HelmannHollerith，1860～1929）和比林斯（s．Billings）设计制造了一种用于人口统计数据处理的机电制表机，这种计算机为以后研究穿孔式计算机提供了借鉴。
    一八五四年，英国数学家乔治?布尔（1815～1864）发表了《思维规律研究》一文，并建立了逻辑代数（即布尔代数）。在布尔代数的基础上，形成了一门新的数学分支?一数理逻辑，它成了现代计算机逻辑设计的重要数学工具。
    随着计算技术与理论的发展和穿孔卡片、特别是电磁继电器的成功应用，到本世纪四十年代，出现了一批能执行复杂的科技计算的通用机电计算机。
    一九四一年，德国工程师康纳德?朱斯（K．Zuse，1908～？）制成了Z－3型机，是世界上第一台全部采用了电磁继电器、也是首次应用二进制的程序控制通用自动式电子计算机。
    在机电计算机中影响较大的是美国哈佛大学的霍华德?艾肯（H．Aiken）于一九四四年制成并投入运行的“麦克”（Mark）l号。
    十九世纪末以来，电子技术获得了迅速的发展，这是加速电子计算机技术发展的重要技术前提。特别是热电子三极管的发明，是电子技术史上的重大成就之一。这样，到了四十年代初，已经具备了设计和制造电于计算机的主要技术条件。一九四五年底，由格尔斯坦、莫奇里、担汪总工程师的二十四岁的艾克特等组成的美国电子计算机研制小组，制成了世界上第一台电子计算机“埃尼亚克”（ENIAC）。该计算机共用18000多个电子管，重达30吨，运算速度每秒 5000次，初露头角就显示了空前的威力。
    一九四四年夏天，本文要介绍的冯?诺伊曼（John VonNeumann，1903～1957）领导了这个小组，经过十个月的努力，终于制定出了一个全新的存贮程序通用电子计算机方案EDVAC。
    一九0三年，约翰?冯?诺伊曼出生于匈牙刮的布达佩斯。一九二六年，毕业于布达佩斯大学，获得了物理－数学搏士学位。
    他曾先后在柏林大学、汉堡大学任教。后来，他迁居到美国，出任美国普林斯顿高级研究院的教授。一九三七年，他被选为美国科学院院士。从一九四零年开始，他的工作与军事机关紧密联系在一起。
    一九四五年，他为美国原子能委员会委员。一九四五年?一九五五年，任电于讨算机设计局局长。
    冯?诺伊曼知识渊博，在物理、数学等方面有较深的造诣。他的研究涉及科学的许多领域：集论与代数、实变函数论、测度理论、拓扑学与连续群、吉伯空间、理论物理、电子计算机的理论与实践、博奕论与自动化理论等。
    冯?诺伊曼最重要的研究是数理逻辑。他研究了群论的公理学和证法的吉伯理论；把维尔和卡莱曼和成果归纳起来，形成了吉伯空间中无限线性算子的谱理论。在拓扑群论方面，他得出了任何有限维的连通紧致拓扑群就是李群的结论。
    在量子力学、方面，他著有《量子力学的数学原理》（1931年）一书，对量子力学及其数学仪器的发展起了较大的作用。
    冯?诺伊曼还发展了博奕论。一九二八年，他指出：“博奕论可以运用于社会科学，如经济学等方面”。
    晚年，他致力于计算机原理和自动化理论问题的研究。在他的领导下，研究成功第一台电子计算机，并把计算机应用于核武器设计和天气预报等方面。
    由于军事上的需要，一九四二年，美国的宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫奇勒博士提出了研制电子计算机的设想和方案。一九四三年四月九日，成立了研制小组。一九四四年夏天，冯?诺伊曼参加了这个小组的工作，他领导这个小组，在通力合作下，经过十个月的努力，终于制定了一个新的存贮程序通用电子计算机方案EDVAC。这个方案的最重大的改进是采用了二进位制和“存贮程序”，就是为了充分发挥电子元件的高速度开辟了道路。“存贮程序”使全部运算成为真正的自动过程，它的出现被誉为电子计算机发展史上的一个里程碑。
    EDVAC的卓越设计思想在美国国内外产生了极大的影响，并迅速开花结果，这充分地显示了诺伊曼的才能。
    一九四五年底，世界上第一台电子计算机“埃尼亚克”（ENIA）问世。一九四九年五月，世界上第一台存贮程序计算机EDSAC在英国剑桥大学首次投入运行。次年，美国也建成了同类的电子计算机。
    一九五二年，美国国际商用机器公司（IBM）生产了用于科研预算的大型计算机系统IBM－701型，从此电子计算机走上了工业生产阶段。
    今天，电子计算机已从第一代发展到第五代，其大致发展情况如下；
    第一代，1946～1957年，硬件主要是采用电子管，特点是体积大、功耗多、可靠性能差。
    第二代，1958～1964年，硬件是晶体管，软件出现了一系列高级语言。
    第三代，1965年～1972年，硬件小面积集成电路，用于程序设计的各种高级语言已有几百种之多，并出现了具有多时、多道功能的操作系统。
    第四代，1972年～1980年，硬件大规模集成电路，软件系统更加趋于完善。
    第五代，1980年～现在，许多发达国家正在研制中。电子计算机正向巨型化、微型化、网络化、智能化方向发展。
    目前，超大规模集成电路、新的原理、新的工艺、新的元器件、新的结构体系的发明和应用，都将引起电子计算机的重大革新；对人脑机制的探索和了解，也必将对计算机的未来产生重大的影响。电子计算机的发展方兴未艾，它将继续显示出无队的生命力。
    据有关专家们估计，电子计算机目前还处在童年阶段，从积学技术发展的历史来看，电子计算机的进一步发展，必将引起社会生产力破新飞跃，从而引起更深刻的社会革命的到来。
    今天，我们已经进入了电子计算机时代，在我们享受电子计算机各种恩惠时，不应该忘记那些对电子计算机技术的发展作出贡献的人们，特别是诺伊曼所作出的贡献。
    一九五七年，约翰?冯?诺伊曼在美国去世，终年五十四岁。

科学故事 冯?诺伊曼

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