約翰·馮·諾依曼（John von Neumann，1903—1957），現(xiàn)代電子計算機之父，世界上第一臺具有現(xiàn)代意義的通用計算機的發(fā)明者，美籍匈牙利人，物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、發(fā)明家。諾依曼開創(chuàng)了現(xiàn)代計算機理論，其體系結(jié)構(gòu)沿用至今，而且他早在20世紀40年代就預(yù)見了計算機建模和仿真技術(shù)，并對當(dāng)代計算機產(chǎn)生深遠的影響。

依曼的生平概述

諾伊曼，1903年生于匈牙利布達佩斯的一個猶太人家庭。諾依曼的父親是布達佩斯的銀行家，他的母親是一位善良的婦女，賢慧溫順，受過良好的教育。

諾伊曼六歲時能心算做八位數(shù)乘除法，八歲時掌握微積分，十二歲就讀懂并領(lǐng)會了波萊爾的大作《函數(shù)論》要義。

1914年夏天，約翰進入大學(xué)預(yù)科班學(xué)習(xí)。第一次世界大戰(zhàn)對諾依曼的學(xué)習(xí)雖然有影響，但畢業(yè)考試時，他的成績依然名列前茅。

1921年，諾依曼通過“成熟”考試時，已被大家當(dāng)作數(shù)學(xué)家了。由于經(jīng)濟原因，諾依曼開始攻讀化學(xué)。其后的四年間，諾依曼在布達佩斯大學(xué)注冊為數(shù)學(xué)方面的學(xué)生，但不聽課，只是每年按時參加考試。1926年，諾依曼在蘇黎世獲得了化學(xué)方面的大學(xué)學(xué)位。通過每學(xué)期期末回到布達佩斯大學(xué)的課程考試，諾依曼還獲得了布達佩斯大學(xué)的數(shù)學(xué)博士學(xué)位。結(jié)束學(xué)生時代時，他已經(jīng)站在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)某些方面的前沿地帶了。

二次大戰(zhàn)歐洲戰(zhàn)事爆發(fā)后，諾依曼的活動越出了普林斯頓，參與了和反法西斯戰(zhàn)爭有關(guān)的多項科學(xué)研究計劃。l943年起，諾依曼擔(dān)任制造原子彈顧問，戰(zhàn)后仍在政府的諸多部門和委員會中任職。1954年，諾依曼成為美國原子能委員會成員。

諾依曼多年的老友，原子能委員會主席斯特勞斯曾對他作過這樣的評價：從他被任命到1955年深秋，諾依曼干得很漂亮。諾依曼有一種使人望塵莫及的能力，最困難的問題到他手里，都會被分解成一件件看起來十分簡單的事情，用這種辦法，他大大地促進了原子能委員會的工作。

諾依曼的健康狀況一直很好，可是由于工作繁忙，1954年，他開始感到十分疲勞。1955年夏天，X射線檢查出他患有癌癥，但他沒有停止工作，病勢擴展了。1957年2月，諾依曼在醫(yī)院逝世，享年53歲。

依曼的重要工作

1930～1940年，諾依曼在純粹數(shù)學(xué)方面做了三項最重要的工作，即量子理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、算子環(huán)理論、各態(tài)遍歷定理。

1936～1940年，諾依曼發(fā)表了六篇關(guān)于非交換算子環(huán)論文，可謂20世紀分析學(xué)方面的杰作，其影響一直延伸至今。

此外，諾依曼在實變函數(shù)論、測度論、拓撲、連續(xù)群、格論等數(shù)學(xué)領(lǐng)域取得許多成果。1933年，他運用緊致群解決了希爾伯特的第五問題，即證明了局部歐幾里得緊群是李群。

依曼的轉(zhuǎn)折點

1940年，諾依曼科學(xué)生涯的轉(zhuǎn)折點。在此之前，他是一位通曉物理學(xué)的登峰造極的純粹數(shù)學(xué)家。此后，他成為一位牢固掌握純粹數(shù)學(xué)的出神入化的應(yīng)用數(shù)學(xué)家。諾依曼開始關(guān)注當(dāng)時把數(shù)學(xué)應(yīng)用于物理領(lǐng)域去的最主要工具——偏微分方程。研究同時他還不斷創(chuàng)新，把非古典數(shù)學(xué)應(yīng)用到兩個新領(lǐng)域：對策論和電子計算機。

諾依曼的這個轉(zhuǎn)變一方面來自他長期對數(shù)學(xué)物理問題的鐘情；另一方面來自當(dāng)時社會方面的需要。

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，諾依曼應(yīng)召參與了許多軍事科學(xué)研究計劃和工程項目。

1940～1957年，任馬里蘭阿伯丁試驗彈道研究實驗室科學(xué)顧問。

1941～1955年，在華盛頓海軍軍械局。

1943～1955年，任洛斯·阿拉莫斯實驗室顧問。

1950～1955年，任陸軍特種武器設(shè)計委員會委員。

1951～1957年，任美國空軍華盛頓科學(xué)顧問委員會成員。

1953～1957年，原子能技術(shù)顧問小組成員。

1954～1957年，導(dǎo)彈顧問委員會主席。

諾依曼研究過連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、激波問題、氣象學(xué)等。

諾依曼還曾提出用聚變引爆核燃料的建議，并支持發(fā)展氫彈。1947年軍隊發(fā)嘉獎令，表揚他是物理學(xué)家、工程師、武器設(shè)計師和愛國主義者。

依曼與博弈論

諾依曼不僅將自己的才能用于武器研究等，還用于社會研究。1928年，諾依曼證明了博弈論的基本原理，從而宣告了博弈論的正式誕生。由他創(chuàng)建的對策論，無疑是他在應(yīng)用數(shù)學(xué)方面取得的最為令人羨慕的杰出成就?，F(xiàn)今，博弈論主要指研究社會現(xiàn)象的特定數(shù)學(xué)方法。

依曼與計算機

諾依曼對人類的最大貢獻是對計算機科學(xué)、計算機技術(shù)、數(shù)值分析的開拓性工作。

現(xiàn)在一般認為ENIAC機是世界第一臺電子計算機，它是由美國科學(xué)家研制的，于1946年2月14日在費城開始運行。其實，由湯米、費勞爾斯等英國科學(xué)家研制的“科洛薩斯”計算機比ENIAC機問世早兩年多，于1944年1月10日在布萊奇利園區(qū)開始運行。ENIAC機證明電子真空技術(shù)可以大大地提高計算技術(shù)，不過，ENIAC機本身存在兩大缺點：一是沒有存儲器；二是它用布線接板進行控制，甚至要搭接幾天，計算速度也被這一工作抵消了。ENIAC機研制組的莫克利和?？颂仫@然是發(fā)覺到了這一點，他們很快開始著手研制另一臺計算機，以便改進。

諾依曼發(fā)現(xiàn)對于一些理論物理的研究，為了得到定性的結(jié)果，單靠解析研究也已顯得不夠，必須輔之以數(shù)值計算。進行手工計算或使用臺式計算機所需化費的時間是令人難以容忍的，于是諾依曼勁頭十足的開始從事電子計算機和計算方法的研究。他對世界上第一臺電子計算機ENIAC（電子數(shù)字積分計算機）的設(shè)計提出建議，1945年3月他在共同討論的基礎(chǔ)上起草了ENIAC設(shè)計報告初稿，這對后來計算機的設(shè)計有決定性的影響，特別是確定計算機的結(jié)構(gòu)，采用存儲程序以及二進制編碼等，至今仍為電子計算機設(shè)計者所遵循。

1944年，諾伊曼參加原子彈的研制工作，該工作涉及到極為困難的計算。在對原子核反應(yīng)過程的研究中，要對一個反應(yīng)的傳播做出“是”或“否”的回答。解決這一問題通常需要通過幾十億次的數(shù)學(xué)運算和邏輯指令，盡管最終的數(shù)據(jù)并不要求十分精確，但所有的中間運算過程均不可缺少，且要盡可能保持準確。他所在的洛·斯阿拉莫斯實驗室為此聘用了一百多名女計算員，利用臺式計算機從早到晚計算，但還是遠遠不能滿足需要。無窮無盡的數(shù)字和邏輯指令如同沙漠一樣把人的智慧和精力吸盡。

1946年，諾依曼開始研究程序編制問題，他是現(xiàn)代數(shù)值分析——計算數(shù)學(xué)的締造者之一，他首先研究線性代數(shù)和算術(shù)的數(shù)值計算，后來著重研究非線性微分方程的離散化以及穩(wěn)定問題，并給出了誤差估計。諾依曼協(xié)助發(fā)展了一些算法，特別是蒙特卡羅方法。

計算機工程的發(fā)展也應(yīng)大大歸功于諾依曼。計算機的邏輯圖式，現(xiàn)代計算機中存儲、速度、基本指令的選取以及線路之間相互作用的設(shè)計，都深深受到諾依曼思想的影響。他不僅參與了電子管元件的計算機ENIAC的研制，并且還在普林斯頓高等研究院親自督造了一臺計算機。稍前，諾依曼還和摩爾小組一起，寫出了一個全新的存儲程序，通用電子計算機方案EDVAC，長達l0l頁的報告轟動了數(shù)學(xué)界。一向?qū)８憷碚撗芯康钠樟炙诡D高等研究院也批準讓諾依曼建造計算機，依據(jù)的就是這份報告。

速度超過人工計算千萬倍的電子計算機，不僅極大地推動了數(shù)值分析的進展，而且還在數(shù)學(xué)分析本身的基本方面，刺激嶄新方法的出現(xiàn)。其中，由諾依曼等制訂的使用隨機數(shù)處理確定性數(shù)學(xué)問題的蒙特卡洛法的蓬勃發(fā)展，就是突出的實例。

19世紀那種數(shù)學(xué)物理原理的精確的數(shù)學(xué)表述，在現(xiàn)代物理中似乎十分缺乏。基本粒子研究中出現(xiàn)的紛繁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，令人眼花繚亂，要想很快找到數(shù)學(xué)綜合理論希望還很渺茫的。單從綜合角度看，且不提在處理某些偏微分方程時所遇到的分析困難，要想獲得精確解希望也不大。所有這些都迫使人們?nèi)で竽芙柚娮佑嬎銠C來處理的新的數(shù)學(xué)模式。諾依曼為此貢獻了許多天才的方法：它們大多分載在各種實驗報告中。從求解偏微分方程的數(shù)值近似解，到長期天氣數(shù)值預(yù)報，以至最終達到控制氣候等。

在諾依曼生命的最后幾年，他的思想仍然很活躍，綜合早年對邏輯研究的成果和關(guān)于計算機的工作，把眼界擴展到一般自動機理論。他以特有的膽識進擊最為復(fù)雜的問題：怎樣使用不可靠元件去設(shè)計可靠的自動機，以及建造自己能再生產(chǎn)的自動機。從中，他意識到計算機和人腦機制的某些類似，這方面的研究反映在西列曼講演中；逝世后才有人以《計算機和人腦》的名字，出了單行本。盡管這是未完成的著作，但是他對人腦和計算機系統(tǒng)的精確分析和比較后所得到的一些定量成果，仍不失其重要的學(xué)術(shù)價值。

被計算機所困擾的諾伊曼在一次極為偶然的機會中知道了ENIAC計算機的研制計劃，從此他投身到計算機研制的這一宏偉事業(yè)中，建立了一生中最大的豐功偉績。

1944年的一個夏天，正在火車站候車的諾伊曼巧遇戈爾斯坦，并同他進行了短暫的交談。當(dāng)時，戈爾斯坦是美國彈道實驗室的軍方負責(zé)人，正參與ENIAC計算機的研制工作。在交談中，戈爾斯坦告訴了諾伊曼有關(guān)ENIAC的研制情況。具有遠見卓識的諾伊曼被這一研制計劃所吸引，他意識到這項工作的深遠意義。

諾依曼由ENIAC機研制組的戈爾德斯廷中尉介紹參加ENIAC機研制小組后，由此便帶領(lǐng)這批富有創(chuàng)新精神的年輕科技人員，向著更高的目標進軍。1945年，他們在共同討論的基礎(chǔ)上，發(fā)表了一個全新的“存儲程序通用電子計算機方案”——ENIAC（Electronic Discrete Variable AutomaticCompUter）。在這個過程中，諾依曼顯示出他雄厚的數(shù)理基礎(chǔ)知識，充分發(fā)揮了他的顧問作用及探索問題和綜合分析的能力。諾伊曼以“關(guān)于ENIAC的報告草案”為題，起草了長達101頁的總結(jié)報告。報告廣泛而具體地介紹了制造電子計算機和程序設(shè)計的新思想。這份報告是計算機發(fā)展史上一個劃時代的文獻，它向世界宣告：電子計算機的時代開始了。

ENIAC方案明確奠定了新機器由五個部分組成，包括：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設(shè)備，并描述了這五部分的職能和相互關(guān)系。報告中，諾伊曼對ENIAC中的兩大設(shè)計思想作了進一步的論證，為計算機的設(shè)計樹立了一座里程碑。

設(shè)計思想之一是二進制，諾依曼根據(jù)電子元件雙穩(wěn)工作的特點，建議在電子計算機中采用二進制。報告提到了二進制的優(yōu)點，并預(yù)言，二進制的采用將大簡化機器的邏輯線路。

實踐證明了諾依曼預(yù)言的正確性。如今，邏輯代數(shù)的應(yīng)用已成為設(shè)計電子計算機的重要手段，在ENIAC中采用的主要邏輯線路也一直沿用著，只是對實現(xiàn)邏輯線路的工程方法和邏輯電路的分析方法作了改進。

序內(nèi)存

程序內(nèi)存是諾伊曼的另一杰作。通過對ENIAC的考察，諾伊曼敏銳地抓住了它的最大弱點——沒有真正的存儲器。ENIAC只有20個暫存器，它的程序是外插型的，指令存儲在計算機的其他電路中。這樣，解題之前，必須先想好所需要的全部指令，通過手工把相應(yīng)的電路聯(lián)通。這種準備工作要花幾小時甚至幾天時間，而計算本身只需幾分鐘。計算的高速與程序的手工存在著很大的矛盾。

針對這個問題，諾伊曼提出了程序內(nèi)存的思想：把運算程序存在機器的存儲器中，程序設(shè)計員只需要在存儲器中尋找運算指令，機器就會自行計算。這樣，就不必每個問題都重新編程，從而大大加快了運算進程。這一思想標志著自動運算的實現(xiàn)，標志著電子計算機的成熟，已成為電子計算機設(shè)計的基本原則。

1946年7—8月，諾依曼和戈爾德斯廷、勃克斯在ENIAC方案的基礎(chǔ)上，為普林斯頓大學(xué)高級研究所研制IAS計算機時，又提出了一個更加完善的設(shè)計報告《電子計算機邏輯設(shè)計初探》。以上兩份既有理論又有具體設(shè)計的文件，首次在全世界掀起了一股“計算機熱”，它們的綜合設(shè)計思想，便是著名的“馮·諾依曼機”，其中心就是有存儲程序原則——指令和數(shù)據(jù)一起存儲（存儲機）。這個概念被譽為“計算機發(fā)展史上的一個里程碑”。它標志著電子計算機時代的真正開始，指導(dǎo)著以后的計算機設(shè)計。自然一切事物總是在發(fā)展著的，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，今天人們又認識到“馮·諾依曼機”的不足，它妨礙著計算機速度的進一步提高，而提出了“非馮·諾依曼機”的設(shè)想。

諾依曼還積極參與了推廣應(yīng)用計算機的工作，對如何編制程序及搞數(shù)值計算都做出了杰出的貢獻。諾依曼，1937年獲美國數(shù)學(xué)會的波策獎；1947年獲美國總統(tǒng)的功勛獎?wù)?、美國海軍?yōu)秀公民服務(wù)獎；1956年獲美國總統(tǒng)的自由獎?wù)潞蛺垡蛩固辜o念獎以及費米獎。

依曼的逸聞

在ENIAC計算機研制時期，有幾個數(shù)學(xué)家聚在一起切磋數(shù)學(xué)難題，百思不得某題之解。有個人決定帶著臺式計算器回家繼續(xù)演算。次日清晨，他眼圈黑黑，面帶倦容走進辦公室，頗為得意地對大家炫耀說：“我從昨天晚上一直算到今天早上4點半，總算找到那個難題的五種特殊解答了。它們一個比一個更難咧！”說話間，諾依曼推門進來，“什么題更難？”雖只聽到后面半句話，但一聽“更難”二字便馬上來了精神。聽完題目，諾依曼頓時把自己該辦的事拋進爪哇國里，興致勃勃地提議道：“讓我們一起算算這五種特殊的解答吧。”

大家都想見識一下諾依曼的“神算”本領(lǐng)，只見他眼望天花板，不言不語，迅速進到“入定” 狀態(tài)。過了五分鐘，就說出了前四種解答，又在沉思著第五種……青年數(shù)學(xué)家再也忍不住了，情不自禁脫口講出答案。諾依曼吃了一驚，但沒有接話茬。又過了一分鐘，他才說道：“你算得對！”

那位數(shù)學(xué)家懷著崇敬的心情離去，他不無揶揄地想：“還造什么計算機喲，教授的頭腦不就是一臺‘超高速計算機’嗎？”然而，諾依曼卻呆在原地，陷入苦苦思索中，許久都不能自拔。有人輕聲向他詢問緣由，教授不安地回答說：“我在想，他究竟用什么方法，這么快就算出了答案?！甭牭酱搜?，大家不禁哈哈大笑：“他用臺式計算器算了整整一個夜晚！”諾依曼一愣，也跟著開懷大笑起來。