Ojciec komputerów
To dobrze znana prawda, z którą dziennikarze lubią wyolbrzymiać. Przesada, zwłaszcza w tytule, przykuwa uwagę czytelników i zachęca do wydania kilku kopiejek na bezcenny dla wydawcy egzemplarz gazety. Więc kiedyś dziennikarze nazwali pierwsze komputery? w przenośni, ale zupełnie bez sensu? „elektroniczne mózgi”; byli też bardzo chętni do nadawania różnym ludziom tytułu "ojców komputerów".
Dziś o jednej z takich osób. Zresztą bardzo zasłużone i ważne dla historii informatyki? nie tylko dla informatyki, ale także dla matematyki.
Ale zanim o tym porozmawiamy? kilka szczegółów technicznych. Z pewnością prawie każdy wie, jak to wygląda „poniżej”, na najniższym poziomie „przetwarzania”. informacje są przetwarzane przez maszynę matematyczną. To są liczby binarne, prawda? czyli po ludzku ciągi jedynek i zer, ale fizycznie? impulsy i braki impulsów elektrycznych, interpretowane dokładnie jako cyfry binarne. Czy to są liczby binarne? czy to jest jasne dla wszystkich? są to „zwykłe”, dobrze znane liczby, tylko nieznacznie różniące się od pisanych ludzkich obyczajów. Czy maszyna powinna działać? powiedzmy operację 6+3, a następnie zapisze liczbę dziesiętną 6 jako 110 (jeden cztery i jeden dwa), liczba 3? jak 11 (dwa i jeden) czy dodawanie binarnie: 110+11=1001 i przekłada wynik z powrotem na użytkownika? jako dziesiętny 9. Wszyscy rozumieją, że dodawanie w systemie binarnym jest łatwiejsze niż w systemie dziesiętnym? bo to jest tablica dodawania? łatwiejsze, ale fizyczne wdrożenie? czyli radzić sobie z impulsami i ich wadami? Spokojnie.
A w jaki sposób maszyna zapisuje do siebie polecenia, tak jak polecenie add użyte kilka wierszy powyżej? Podobnie ? a także ciąg zer i jedynek. Zatem dowolne dwa takie łańcuchy mogą być interpretowane zarówno jako instrukcja, jak i liczba. Wszystko zależy od naszej ?umowy? z samochodem; można uzgodnić np. że pierwsze 6 znaków binarnych danego ciągu zer i jedynek powie co zrobić (czyli zakodować komendę), a kolejne znaki? będzie liczbą, do której będzie się odnosić to polecenie.
Na samym początku, kiedy wynaleziono komputery, było inaczej. Czy zamówienia zasadniczo różniły się od danych, w tym pod względem sposobu realizacji technicznej i miejsca ich przechowywania? co doprowadziło np. do takich kłopotów jak konieczność ręcznego ustawiania połączeń dla każdego algorytmu obliczeniowego z osobna. Tak było np. w przypadku słynnego ENIAC-a. Ustawienie? mowić? algorytm obliczania tablic ogniowych artylerii (maszyna ta była przeznaczona głównie do takich obliczeń) był prawdziwym koszmarem, być może dla pięknych młodych programistów, którzy musieli ostrożnie wkładać setki wtyczek w odpowiednie styki, może śniąc w nocy?
Tymczasem identyczny zapis poleceń i danych pozwala nie tylko programować „na papierze”, ale także dodatkowo? przy przyjmowaniu dodatkowych konwencji? wykonywanie poleceń na rekordach? zwykłe operacje arytmetyczne. Więc co może się stać, że operacja [?Dodaj wpis? plus? notacja mno?enia?] spowoduje? dzielenie? lub „polecenie skoku”. Czy maszyna, licząc na instrukcje jak zwykłe liczby, nabywa zaskakującą (dla niespecjalisty) zdolność do automatycznej wewnętrznej modyfikacji swoich zestawów instrukcji? bez ludzkiej interwencji, kto musi tylko przewidzieć odpowiednią potrzebę?
Był to przełom intelektualny w podejściu do procesów obliczeniowych. Jego wdrożenie oznaczało prawdziwe narodziny nowoczesnych komputerów.
Ciekawe ? osoba, która wpadła na ten pomysł, wymyśliła też schemat, według którego budowany jest dziś każdy komputer. Według tego schematu, który obowiązuje do dziś, komputer? pięć poprawnie zaimplementowanych technicznie systemów: WEJŚCIE, WYJŚCIE, PAMIĘĆ, ARYTMOMIERZ i STEROWANIE. WEJŚCIE służy do wprowadzania danych i programów (dziś jest to np. klawiatura, różne czytniki i czujniki, dysk twardy, port USB do którego podłączamy „kolbę”, czyli wiele innych urządzeń. Wyniki obliczeń , dane i programy są przechowywane w PAMIĘCI, operacje wykonywane są w ARYTMOMETRZE, a wszystko to jest kontrolowane przez KONTROLĘ.
Ten układ pięciu elementów nazywa się Architektura Neumanna.
Architektura von Neumanna? pierwszy typ architektury komputerowej opracowany przez Johna von Neumanna, Johna W. Mauchly'ego i Johna Prespera Eckerta w 1945 roku. Charakterystyczną cechą tej architektury jest to, że dane są przechowywane wraz z instrukcjami, co powoduje, że są one zakodowane w ten sam sposób.
W tej architekturze komputer składa się z czterech głównych elementów:
- pamięć komputerowa, która przechowuje dane programu i instrukcje programu; każda komórka pamięci ma unikalny identyfikator zwany jej adresem;
- jednostkę sterującą odpowiedzialną za pobieranie danych i instrukcji z pamięci oraz ich sekwencyjne przetwarzanie;
- jednostka arytmetyczno-logiczna odpowiedzialna za wykonywanie podstawowych operacji arytmetycznych;
- urządzenia wejścia/wyjścia używane do interakcji z operatorem.
Jednostka sterująca i jednostka arytmetyczno-logiczna tworzą procesor. System komputerowy oparty na architekturze von Neumanna musi:
- posiadać ostateczną i kompletną funkcjonalnie listę zamówień;
- być w stanie wprowadzić program do systemu komputerowego za pośrednictwem urządzeń zewnętrznych i przechowywać go w pamięci w taki sam sposób jak dane;
- dane i instrukcje w takim systemie muszą być jednakowo dostępne dla przetwarzającego;
- tam informacje są przetwarzane przez sekwencyjne odczytywanie instrukcji z pamięci komputera i wykonywanie tych instrukcji w procesorze.
Warunki te pozwalają systemowi komputerowemu na przechodzenie z jednego zadania (programu) do drugiego bez fizycznej ingerencji w strukturę systemu, a tym samym gwarantują jego uniwersalność.
System komputerowy von Neumanna nie posiada oddzielnej pamięci do przechowywania danych i instrukcji. Zarówno instrukcje, jak i dane są zakodowane cyframi. Bez analizy programistycznej trudno określić, czy dany obszar pamięci zawiera dane czy instrukcje. Program wykonywalny może sam się modyfikować, traktując obszar instrukcji jako dane, ale po przetworzeniu tych instrukcji? dane? zacznij je robić.
Model komputerowy wykorzystujący architekturę von Neumanna jest często określany jako referencyjna maszyna cyfrowa (PMC).
A imię naszego bohatera już znamy: to genialny amerykański matematyk John von Neumann. Nazwiska konstruktorów ENIAC są również na Wikipedii, ale nie ma wątpliwości, że główny pomysł wyszedł od von Neumanna.
Właściwie to nie jest Amerykaninem, ani Johnem, ani nawet. Przyszłość, ojciec komputerów? ur. 28 grudnia 1903 w Budapeszcie jako Neumann Janos Lajospo, nazwisko węgierskie pisane jest na pierwszym miejscu, podczas późniejszego pobytu w Niemczech nazywał się Johann von Neumann (? to pseudonim oznaczający po niemiecku szlacheckie pochodzenie), został tylko Johnem w ostatnich dziesięcioleciach jego życia.
Pochodził z węgierskiej żydowskiej rodziny bankowej, bogaty? ale bynajmniej nie szlachetny. Był niesamowicie inteligentnym dzieckiem; Jego biografowie zauważają na przykład, że gdy miał sześć lat, potrafił na przykład błyskawicznie rozbijać w pamięci ośmiocyfrowe liczby. Z reguły ludzie obdarzeni takimi zdolnościami nie tylko nie są geniuszami matematyki, ale są nawet uważani za upośledzonych umysłowo. Tak nie było w przypadku małego Janosa.
Ponadto chłopiec miał pamięć fotograficzną: wystarczyło, że rzucił okiem na stronę książki, aby dokładnie przypomnieć sobie jej zawartość. Uczęszczał do gimnazjum ewangelickiego w Budapeszcie u starszego o rok Eugena Wignera (znanego też później). Janos był tu wyjątkowo uzdolnionym uczniem i bardzo szybko udowodnił swój wielki talent matematyczny? Swój pierwszy naukowy artykuł matematyczny opublikował w wieku 17 lat.
Po maturze studiował na kilku bardzo dobrych uczelniach europejskich. W 1925 uzyskał tytuł licencjata (odpowiednik licencjata) od ? Inżynieria chemiczna. Rok później (!) uzyskał doktorat z matematyki na Uniwersytecie w Budapeszcie. W latach 1926-1930 był najmłodszym adiunktem na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie. Udało mu się całkowicie uniknąć nazistowskich prześladowań, które? ze względu na ich żydowskie pochodzenie? na pewno by tego nie przegapili. Jesienią 1929 został zaproszony do USA, do słynnego Princeton, dokąd wyjechał w 1930 i rozpoczął badania na tamtejszym uniwersytecie. W 1932 wydał książkę () w USA.
Kiedy naziści doszli do władzy w Niemczech w 1933, von Neumann objął stanowisko profesora matematyki w nowo założonym? bardzo elitarny? Institute for Advanced Study, dziś jedna z najbardziej znanych instytucji badawczych na świecie. Czy stał się tutaj przyjacielem? pośród innych? Sam Albert Einstein. W 1937 otrzymał obywatelstwo amerykańskie.
Biografia von Neumanna ma ciekawy polski akcent. Otóż po zwycięstwie nazizmu w Niemczech, tuż przed wojną, odwiedził nasz kraj i spotkał się tu z największym polskim matematykiem Stefanem Banachem. Tak naprawdę to spotkanie było głównym celem pobytu naukowca w Polsce, bo? ściśle tajne? przyniósł Banachowi propozycję natychmiastowej emigracji do Stanów Zjednoczonych i objęcia profesury w Princeton. Istnieje anegdota, że chcąc skłonić Banacha do podjęcia decyzji, wręczył mu czek z wypisanym numerem jeden, ze słowami? Dodaj tyle zer, ile uznasz za stosowne, czy jakakolwiek kwota jest akceptowana z góry?
Niby niesamowicie dumny i niezwykle genialny, ale? Rozważam ? Niezbyt mądra odpowiedź Banacha brzmiała: wybacz mi, ale czy to nie wystarczy?
John von Neumann nie tylko wynalazł opisaną powyżej architekturę komputerową, nazwaną jego imieniem (opisał ją w książce z 1945 roku), i nie tylko wpadł na genialny pomysł z numeryczną interpretacją poleceń komputerowych, ale także wniósł znaczący wkład w rozwój seria? bardzo czasami?teoretycznie? ? obszary matematyki: logika, teoria mnogości, analiza matematyczna. W 1944 roku wraz z Oscarem Morgensternem napisał słynną pracę, stając się tym samym twórcą nowoczesnej teorii gier.
Od 1943 roku von Neumann uczestniczył w Projekcie Manhattan, w ramach którego zbudował sprawnie działający reaktor jądrowy i stworzył pierwszą bombę atomową. Wynalazł wówczas między innymi pierwszą metodę praktycznego rozwiązania hiperbolicznych równań różniczkowych cząstkowych.
W 1956 von Neumann otrzymał ? Amerykańskiemu Towarzystwu Meteorologicznemu za ich wkład w meteorologię i rozwój szybkich komputerów (które można natychmiast zastosować do prognozowania pogody) oraz za przywództwo w tworzeniu grupy badawczej, która przygotowała pierwszą matematycznie wiarygodną prognozę pogody.
Był także von Neumannem aktywnym w polityce. Przed bombardowaniem atomowym Japonii był członkiem Komitetu Celów, który wspólnie podejmował decyzje o wyborze celów bombowych. Von Neumann zaproponował, że zrzuci bombę na Kioto? miasto jest dla Japończyków ważnym ośrodkiem religijnym. Uczestniczył także w projektach rakiet balistycznych oraz w projekcie bomby wodorowej.
W życiu osobistym był człowiekiem jowialnym i szalenie towarzyskim. Był dwukrotnie żonaty (Marietta Kovesi i Clara Dan) i miał córkę (Marina). Jego dom w Princeton gościł słynne imprezy, powszechnie znane nie tylko w świecie nauki z ilości wypijanego alkoholu?
Zmarł na raka 8 lutego 1957 roku po przewlekłej i bolesnej chorobie.
