В истории вычислительной техники Алана Тьюринга часто называют отцом компьютинга, а Чарльза Бэббиджа — его дедушкой. Однако именно Джон фон Нейман стал тем «невероятно талантливым и харизматичным дядей», который в середине 1940-х годов силой своей личности превратил теоретические концепции в работающую глобальную индустрию универсальных ЭВМ. В этом материале профессор Дэвид Брейлсфорд подробно воссоздает портрет гениального полимата и объясняет, почему принципы его архитектуры остаются незыблемыми даже спустя более чем полвека.
🖥️ Архитектура фон Неймана: пять базовых элементов 1:35
Практически каждый специалист по компьютерным наукам в самом начале своего обучения сталкивается с термином «архитектура фон Неймана». По словам профессора Брейлсфорда, эта концепция удивительно проста и описывает конфигурацию цифрового компьютера всего через пять основных функциональных блоков:
- Память (хранилище) для одновременного размещения инструкций программы и рабочих данных.
- Устройство управления (Control Unit).
- Арифметико-логическое устройство (АЛУ / ALU).
- Устройства ввода информации (например, телетайпы в ранних машинах).
- Устройства вывода информации (включая внешние накопители вроде дисков).
В современных микросхемах устройство управления и АЛУ объединены в один общий чип, который сегодня называют центральным процессором (CPU). Брейлсфорд отмечает, что на заре компьютеростроения в инженерной среде велись ожесточенные споры о безопасности совместного хранения данных и программ. Многие исследователи ради надежности предлагали физически разделять память для инструкций кода и память для обрабатываемых данных. Тем не менее соблазн использовать одну и ту же эффективную технологию памяти для обеих задач перевесил чашу весов.
В качестве примера профессор приводит знаменитую британскую ЭВМ EDSAC, построенную по канонам фоннеймановской схемы. Особенности общей памяти приводили к курьезным по нынешним временам компромиссам: единственным способом зайти в подпрограмму (субрутину) и затем успешно вернуться из нее в основное тело кода была физическая перезапись части инструкций самой программы прямо в процессе ее выполнения.
🇭🇺 Юный вундеркинд из Будапешта и легенда Гёттингена 3:41
Джон фон Нейман (при рождении в Венгрии — Нейман Янош, где фамилия традиционно пишется первой) происходил из чрезвычайно состоятельной семьи. Позже его отец получил дворянский титул, благодаря чему к фамилии добавилась аристократическая приставка «фон», а сам Янош стал наследственным бароном.
Профессор Брейлсфорд подчеркивает, что масштаб природного таланта фон Неймана невозможно преувеличить:
- Уже в возрасте шести лет мальчик обладал феноменальными способностями и мог в уме разделить одно восьмизначное число на другое за доли секунды.
- Он рос разносторонним полиматом и страстно увлекался историей.
- В школе он без малейших усилий становился лучшим в классе, мгновенно впитывая информацию.
Современники-математики в первую очередь поражались невероятной скорости его мышления и способности моментально просчитывать все долгосрочные последствия новых математических идей. Получив докторскую степень в Будапеште, молодой ученый естественным образом оказался в Гёттингенском университете в Германии — мировой столице математики того времени, где тогда гремели имена Давида Гильберта и Курта Гёде.
В Гёттингене Йоханн фон Нейман (как его называли на немецкий манер) быстро стал фактически главным исследовательским ассистентом суперзвезды математики Давида Гильберта. Помимо выдающихся научных результатов, молодой барон запомнился коллегам своим безупречным стилем. Профессор делится архивным анекдотом: на одном из академических семинаров Гильберт прервал обсуждение, чтобы серьезно спросить у фон Неймана, кто его портной, поскольку его безукоризненный костюм в полоску буквально затмевал всех присутствующих. Фон Нейман стал легендой университета практически в момент своего появления.
🏫 Принстонский альянс: несостоявшееся сотрудничество с Тьюрингом 5:55
Не желая тратить годы на ожидание вакантной профессорской должности в консервативной немецкой академической системе, в конце 1930-х годов фон Нейман принял приглашение от Принстонского университета в Нью-Джерси. Еще до этого, в середине тридцатых, во время лекционного турне по Европе, он познакомился в Кембридже с молодым Аланом Тьюрингом. Между ними возникло глубокое взаимное уважение. После публикации революционной работы Тьюринга 1936 года о разрешимости фон Нейман чрезвычайно высоко оценивал потенциал британского коллеги.
Вскоре Принстон превратился в главный интеллектуальный центр планеты. Буквально в полутора милях от университета, посреди лугов, на частные пожертвования был основан Институт перспективных исследований (IAS). Это был закрытый элитарный клуб для величайших умов человечества. Пожизненную профессуру с полным обеспечением там получили:
- Альберт Эйнштейн, принявший приглашение одним из первых;
- Герман Вейль, один из создателей квантовой механики;
- Курт Гёдель, которому разрешили оставаться в институте сколько угодно на полном пансионе.
Джон фон Нейман удостоился чести стать профессором в этом уникальном сообществе в рекордно молодом возрасте — примерно в 35 лет. Коллеги открыто сравнивали его потенциал с Исааком Ньютоном, Карлом Фридрихом Гауссом и Леонардом Эйлером.
Когда Алан Тьюринг приехал в Принстон в 1938 году для работы над докторской диссертацией под руководством Алонзо Чёрча, они с фон Нейманом регулярно общались. Перед Тьюрингом встала дилемма: возвращаться ли в Англию, где пахло войной. Согласно авторитетной биографии Тьюринга за авторством Эндрю Ходжеса, отец Алана настаивал на том, чтобы сын остался в безопасности в США. Фон Нейман лично предложил Тьюрингу престижную должность своего научного ассистента в Институте перспективных исследований, что фактически гарантировало американцу блестящую академическую карьеру.
Однако Тьюринг вежливо отказался. По мнению Брейлсфорда, помимо патриотического долга, Тьюринга смутило то, что фон Нейман в тот момент еще не переключил свои интересы на вычислительную технику. Для работы в качестве ассистента он планировал загрузить Алана исследованиями в области квантовой механики, а Тьюринг по опыту Кембриджа знал, что математическая физика — совершенно не его стихия.
🍾 «Джонни» против стереотипов: светская жизнь и оборонные контракты 10:13
Окончательно перебравшись в США, ученый твердо решил стать «стопроцентным американским гением». В официальной обстановке он оставался Джоном фон Нейманом, но для многочисленных друзей превратился просто в «Джонни». Он свободно владел четырьмя или пятью языками, включая английский и итальянский.
Фон Нейман полностью разрушал стереотип о нелюдимом и замкнутом кабинетном ученом:
- Он обожал дорогую еду, изысканные вина и шумные вечеринки с шампанским. Жена фон Неймана иронично шутила, что ее муж «умеет считать абсолютно всё на свете, кроме собственных калорий».
- Вокруг него всегда присутствовал шлейф светского блеска, гламура и женского внимания.
- Он обладал фантастической харизмой, покоряя любого собеседника способностью мгновенно видеть суть сложнейших задач.
Благодаря своему уникальному уму, фон Нейман был нарасхват в качестве правительственного и военного консультанта. Во время Второй мировой войны он работал рука об руку с Робертом Оппенгеймером над Манхэттенским проектом по созданию атомной, а затем и водородной бомбы. Его услугами одновременно пользовались армия, флот и военно-воздушные силы США.
Именно статус консультанта привел его в Мурскую инженерную школу при Пенсильванском университете, где создавался знаменитый ENIAC — первый полностью электронный компьютер на вакуумных лампах, работавший в десятичной системе счисления. Первоначально ENIAC предназначался сугубо для расчета траекторий артиллерийских снарядов. К моменту его финального запуска в 1946 году прямая военная надобность отпала, и именно «Джонни» придумал, как изящно перенастроить узкоспециализированный ENIAC, превратив его в универсальный компьютер. Впоследствии он лично использовал эту машину для проведения сложнейших расчетов по моделированию термоядерного взрыва.
📅 Летняя школа 1946 года и глобальный технологический прорыв 12:25
К моменту окончания войны в мире существовали лишь разрозненные компьютерные проекты, большинство из которых оставались строго засекреченными военными ведомствами. Наблюдался полный технологический хаос:
- В Германии Конрад Цузе строил работающие электромеханические машины, которые были Тьюринг-полными, но оставались медленными из-за релейной базы.
- В США Джон Атанасов разработал специализированный ламповый прибор для решения узкого класса дифференциальных уравнений.
- В Великобритании Томми Флауэрс создал Colossus — мощную электронную машину для дешифровки кодов Lorenz, но она была аппаратно заточена под одну задачу.
Индустрии требовался радикальный шаг вперед: создание полностью электронной, цифровой, универсальной машины, работающей в надежной двоичной системе счисления. Идеальной фигурой для объединения мирового сообщества стал харизматичный «дядя Джонни». Мурская школа в Пенсильвании инициировала разработку официального преемника ENIAC — проекта EDVAC. Осознавая, что реальное создание машины займет 3–4 года, руководство школы при поддержке фон Неймана решило организовать летом 1946 года масштабную учебную программу (летнюю школу) для инженеров со всего мира.
Алан Тьюринг, работавший тогда в Национальной физической лаборатории Великобритании, это знаковое мероприятие проигнорировал. По словам Брейлсфорда, Тьюринг на дух не переносил конференции, не умел поддерживать светскую беседу и оставался классическим робким математиком, являя собой полную противоположность фон Нейману. Кроме того, на Тьюринга могли давить жесткие ограничения британского Акта о гостайне из-за его недавней работы в Блетчли-Парке.
Вместо него Великобританию на летней школе представлял его ровесник Морис Уилкс (Морис Винсент Уилкс). Уилкс и Тьюринг вместе учились в Кембридже в 1930-х годах и оба получили дипломы первого класса, хотя, как аккуратно отмечает профессор, ладили они не очень хорошо. Во время войны Уилкс занимался практическими разработками в области радаров, поэтому обладал глубокими прикладными знаниями в электронике. Именно Морис Уилкс, вдохновившись лекциями и концепциями фон Неймана на летней школе 1946 года, вернулся в Великобританию и успешно построил легендарный компьютер EDSAC, заложив тем самым фундамент для развития всей европейской компьютерной индустрии.
