Opera lui John von Neumann

John von Neumann

John von Neumann s-a născut la Budapesta la 28 decembrie 1903, într-o familie bancară bogată care fusese ridicată la nobilimea maghiară. De la o vârstă fragedă, el a dat dovadă de un intelect deosebit și a fost etichetat ca un minune. Până la vârsta de 6 ani, von Neumann putea vorbi greaca veche și împărți o pereche de numere de 8 cifre în cap, iar la 8, învățase calculul diferențial și integral. Când von Neumann avea 15 ani, tatăl său a aranjat ca Gábor Szegő să-i servească drept profesor privat de matematică. La prima lor lecție, celebrul matematician Szegő a fost adus în lacrimi după ce a urmărit viteza și abilitatea tânărului von Neumann. În plus față de aceste fapte incredibile, von Neumann avea o memorie fotografică și putea recita romane întregi cuvânt cu cuvânt.

Von Neumann a absolvit un certificat de doi ani în chimie la Universitatea din Berlin și un doctorat în matematică la Universitatea Pázmány Péter. După ce și-a terminat doctoratul, von Neumann a mers la Universitatea din Göttingen pentru a studia sub conducerea lui David Hilbert, unul dintre matematicienii importanți a căror muncă a contribuit la dezvoltarea computerului. Ulterior, von Neumann a mers la Universitatea Princeton pentru a accepta o numire pe viață la Institutul de Studii Avansate. Biroul său se afla la câteva uși de biroul lui Albert Einstein și Einstein s-a plâns că von Neumann a cântat prea tare muzica germană de marș pe fonograful său de birou.

În timp ce se afla la Princeton, von Neumann a fost adus să lucreze la Proiectul Manhattan. A făcut multe călătorii la Laboratorul Los Alamos pentru a monitoriza dezvoltarea armelor atomice și a fost crucial în multe etape ale proiectării și construcției celor două arme nucleare lansate în Japonia. El a fost martor ocular la primul test al unei bombe atomice din 16 iulie 1945 și a servit în comitetul însărcinat să decidă ce două orașe japoneze vor fi ținte pentru bombă. Pentru implicarea sa în Proiectul Manhattan, von Neumann a devenit probabil cea mai mare inspirație pentru personajul Dr. Strangelove în filmul omonim al lui Stanley Kubrick.

Dr. Iubire ciudata

În perioada în care a lucrat la bomba atomică, von Neumann a început să lucreze la idei care ar sta la baza informaticii. Von Neumann se întâlnise cu Alan Turing cu ani mai devreme, iar rapoartele sugerează că von Neumann a fost influențat de lucrarea lui Turing „On Computable Numbers.”Cu siguranță, datorită muncii sale anterioare cu Hilbert, von Neumann a fost într-o poziție excelentă pentru a recunoaște semnificația operei lui Turing.

În 1945, în timp ce se afla în etapele finale ale lucrării sale la Proiectul Manhattan, von Neumann le-a spus prietenilor și colegilor că se gândea la o muncă și mai consecventă. În timp ce se afla într-un tren spre Los Alamos, von Neumann a scris un document numit „Primul proiect al unui raport despre EDVAC”. Acest document de 101 pagini conține proiectarea arhitecturii von Neumann, care a rămas paradigma dominantă în arhitectura computerelor de la introducerea sa. Arhitectura von Neumann este în mod obișnuit asociată cu conceptul de computer cu program stocat, dar include și un design proiectat în 4 părți care diferă de alte concepte de program stocat.

Cel mai important, arhitectura von Neumann este un computer cu program stocat. Calculatoarele cu programe stocate utilizează o unitate de memorie pentru a stoca atât programele de calculator, cât și datele pe care programele de computer le iau ca intrare. Designul programului stocat este în mod obișnuit contrastat cu arhitectura Harvard, care utilizează unități de memorie separate pentru a stoca programul de calculator și datele programului.

Ideea unei arhitecturi cu programe stocate a fost sugerată tacit de lucrările lui Turing asupra mașinilor universale Turing, deoarece aceste mașini sunt versiuni teoretice ale computerelor cu program stocat. Cu toate acestea, von Neumann a recunoscut valoarea ingineriei explicite a acestei proprietăți în computere. Metodele alternative de programare a computerelor au necesitat cablarea manuală sau recablarea circuitelor computerului, un proces care a fost atât de intensiv în muncă încât computerele au fost adesea construite pentru o singură funcție și niciodată reprogramate. Odată cu noul design, computerele au devenit ușor reprogramabile și capabile să implementeze multe programe diferite; cu toate acestea, controalele de acces trebuiau activate pentru a împiedica anumite tipuri de programe, cum ar fi virușii, să reprogrameze programe esențiale precum sistemul de operare.

Cea mai cunoscută limitare de proiectare a arhitecturii von Neumann se numește „gâtuiala von Neumann”. Blocajul von Neumann este cauzat de arhitectura programului stocat, deoarece datele și programul partajează aceeași magistrală către unitatea centrală de procesare. Transferul de informații din memorie în CPU este de obicei mult mai lent decât procesarea efectivă în CPU. Proiectarea von Neumann crește cantitatea de transfer de informații necesară, deoarece atât programul de calculator, cât și datele programului trebuie transferate către CPU. Una dintre cele mai bune metode de ameliorare a acestei probleme a fost utilizarea cache-urilor CPU. Memoriile cache ale CPU servesc ca intermediari între memoria principală și CPU. Aceste cache-uri CPU oferă cantități mici de memorie cu acces rapid în apropierea nucleului procesorului.

Arhitectura von Neumann constă din patru părți: unitatea de control, unitatea de procesare (inclusiv unitatea aritmetică și logică (ALU)), unitatea de memorie și mecanismele de intrare / ieșire. Mecanismele de intrare / ieșire includ dispozitivele standard asociate computerelor, inclusiv tastaturile ca intrări și ecranele de afișare ca ieșiri. Mecanismele de intrare scriu în unitatea de memorie care stochează programele de calculator și datele programului. Unitatea de control și unitatea de procesare cuprind procesorul central. Unitatea de control dirijează procesarea centrală în conformitate cu instrucțiunile pe care le primește. Unitatea de procesare conține un ALU care efectuează o operație de bază aritmetică sau bit în funcție de un șir de biți. ALU poate îndeplini multe funcții diferite; prin urmare, este funcția unității de control să dirijeze ALU astfel încât să îndeplinească funcția corectă pe șirul corect.

Arhitectura von Neumann

După introducerea sa, arhitectura von Neumann a devenit arhitectura standard a computerului, iar arhitectura Harvard a fost retrogradată în microcontrolere și procesare semnal. Arhitectura von Neumann este încă în uz astăzi, dar designurile mai noi și mai complicate inspirate de arhitectura von Neumann au eclipsat arhitectura originală din punct de vedere al popularității.