Американский математик и физик Джон фон Нейман
(1903—1957) был родом из Будапешта, второго по величине и значению после Вены
культурного центра бывшей Австро-Венгерской империи [1]. Своими необычайными
способностями этот человек стал выделяться очень рано: в шесть лет он
разговаривал на древнегреческом языке, а в восемь освоил основы высшей
математики [2].Работал он в Германии, но в начале 1930-х годов, предвидя ухудшение политической обстановки в стране, которое не могло не сказаться отрицательно на научной жизни, принял решение обосноваться в США.
Джон фон Нейман внес существенный вклад в создание и развитие целого ряда областей математики и физики, оказал значительное влияние на развитие компьютерной техники [2, 3].
Он выполнил фундаментальные исследования, связанные с математической логикой, теорией групп, алгеброй операторов, квантовой механикой, статистической физикой, развил теорию игр и теорию автоматов.
Фон Нейман является одним из создателей метода Монте-Карло (называемого еще “методом статистических испытаний”) — численного метода решения математических задач, основанного на моделировании случайных величин [1, 4, 5]. (Название Монте-Карло происходит от города Монте-Карло в княжестве Монако, знаменитого своими игорными домами. Дело в том, что одним из простейших устройств для получения случайных величин является рулетка.)
Рассмотрим простейший пример использования этого метода. Предположим, что нам нужно определить площадь плоской фигуры, расположенной внутри единичного квадрата (т.е. квадрата, сторона которого равна единице) [5]. Выберем внутри квадрата наугад n точек. Обозначим через n’ количество точек, попавших при этом внутрь фигуры. Тогда площадь приближенно равна отношению n’/n. Чем больше n, тем больше точность такой оценки.
Преимущество метода Монте-Карло состоит в том, что он способен “сработать” там, где отказывают другие методы.
В 1945 году был опубликован доклад фон Неймана, в котором он наметил основные принципы построения и компоненты современного компьютера.
Идеи, отраженные в докладе, развивались, и примерно через год появилась статья “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства” [6]. Здесь важно, что авторы, отвлекшись от электронных ламп и электрических схем, сумели обрисовать, так сказать, формальную организацию компьютера.
“Универсальная вычислительная машина должна содержать несколько основных устройств: арифметики, памяти, управления и связи с оператором. Мы хотим, чтобы после начала вычислений работа машины не зависела от оператора”.
“Необходимо, чтобы машина могла запоминать некоторым образом не только цифровую информацию, требуемую для данного вычисления, но также и команды, управляющие программой, с помощью которой должны производиться эти вычисления”.
“Если приказы (команды) машине представить с помощью числового кода и если машина сможет каким-то образом отличать число от приказа (команды), то память можно использовать для хранения как чисел, так и приказов (команд)” (принцип хранимой программы).
“Помимо памяти для приказов (команд), должно существовать еще устройство, способное автоматически выполнять приказы (команды), хранящиеся в памяти. Будем называть это устройство управляющим”.
“Поскольку наша машина является вычислительной, в ней должен быть арифметический орган... устройство, способное складывать, вычитать, умножать и делить”.
“Наконец, должно существовать устройство ввода и вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной” [7].
Отмечалось также, что машина должна работать с двоичными числами, быть электронной, а не механической и выполнять операции последовательно, одну за другой.
Таким образом, фактически “по фон Нейману” главное место среди функций, выполняемых компьютером, занимают арифметические и логические операции [8]. Для них предусмотрено арифметико-логическое устройство. Управление его работой — и вообще всей машины — осуществляется с помощью устройства управления. (Как правило, в компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединены в единый блок — центральный процессор.) Роль хранилища информации выполняет оперативная память. Здесь хранится информация как для арифметико-логического устройства (данные), так и для устройства управления (команды).
После выхода этих работ компьютер был признан объектом, представляющим научный интерес, причем вскоре компьютеры, построенные в соответствии с приведенными положениями, стали называть “машинами фон Неймана”.
Архитектурные принципы организации ЭВМ, указанные Джоном фон Нейманом, долгое время оставались почти неизменными, и лишь в конце 1970-х годов в архитектуре супер-ЭВМ и матричных процессоров появились отклонения от этих принципов [9].