冯诺依曼是计算机的奠基人，现在的计算机能力已经有了极大的提升，人工智能的能力使人们开始恐惧，然而，计算机的基本框架很大程度上仍停留在冯·诺依曼逝世时的水平，基础运作方式并没有发生本质改变。

乔治·戴森在《图灵的大教堂：数字宇宙开启智能时代》一书中，详细描述了冯诺依曼如何思考、设计、制造计算机的过程，至今看来依然值得学习、深思。

冯诺依曼其人

冯诺依曼是什么人？他被父亲送去学化学，却成为了顶尖的数学家，游走于数学家、物理学家、气象学家、天文学家、电子工程师等各种知识领域的顶尖天才之间，是天才中的天才。

天才有什么样的特点？他的朋友圈是这样膜拜的。

“无论你从哪种角度看，他似乎总属于异类。纯数学家声称，他是一名理论物理学家；理论物理学家将他看作应用数学方面的顾问，认为他在这方面提供了很大的帮助；应用数学家惊叹于这样一位纯净和象牙塔式的数学家会对应用问题如此感兴趣；我怀疑，某些政界人士可能一直都把他看作实验物理学家，甚至是工程师。”

经济学家保罗·萨缪尔森说：“冯·诺依曼如惊鸿掠影般走进了我们的领域，从那以后该领域就发生了翻天覆地的变化。”他偶然的进入了经济学领域，就彻底的改变了这个领域。

“他有一种在数学家中间也许比较罕见的能力，他能够和物理学家交谈，理解他们的语言，并且几乎在瞬间就可转换成数学家的方案和表达式。接着，在解决这个问题之后，他又可以将它转换回物理学家常用的表达式。”

他能够拆解任何问题，然后将之重新组合，使答案呈现为显而易见的结果。他能将大问题分解为极小的细节，他还可以把极小的细节组合成具有任意指定属性的大问题。这就是约翰尼的能耐，再无其他人可以做到。”

“约翰尼最典型的特征是对万事万物无止境的好奇心和难以抑制的求知欲，他迫不及待地去认识和了解任何问题，不论难易高下，”克拉拉回忆说，“凡是引他发问的东西，他都不会放过；他会生闷气，板着脸，感觉难受，直到找到了至少让自己满意的正解。”

冯·诺依曼的第一版手稿可以直接发表，甚至数学证明也是如此。“如果一个主题在我的头脑中酝酿‘成熟’，我就写得相当流畅、迅速，”

“冯·诺依曼是最伟大的数学艺术家之一，”戈德斯坦说，“对他来说，仅仅证明出一个结果是不够的，还必须体现优雅和精致的作风。”

海军少将刘易斯·斯特劳斯所说，“冯·诺依曼能够抓住最困难的问题，条分缕析，于是一切都显得简单明了，而我们所有人都惊讶于自己为什么不能像他那样层次分明、洞悉答案”。

他会被“不可能”的问题所吸引，预测天气、了解大脑、解释经济，以及用不可靠的部件构建可靠的计算机。“本着简单的益智精神考虑最重要的问题，这是他的骄傲，”克拉拉说，“就好像他在挑战世界给他提出的任何难题、任何问题，然后用秒表计时，看看他能多么迅速、机敏、轻松地解决它们。”

“某些时候，我们或多或少都可以做到思路清晰，”匈牙利籍美国数学家保罗·哈尔莫斯说，“但是冯·诺依曼思路的清晰度比我们大多数人要高出几个数量级，而且他能始终保持思路清晰。”他拥有计算和逻辑智能，“他敬佩甚至嫉妒那些拥有互补品质的人，他们闪现的非理性直觉有时可以改变科学发展的方向。”

“他无法将非常优秀的人和不太优秀的人区分开来，”博特补充道，“我猜在他面前，他们都显得慢很多。”

很幸运有这样的天才把我们引入计算机时代，用数学的思维赋予计算机如此强大的通用能力。很不幸他英年早逝，带走了天才所能创造的无限可能性。

冯诺依曼对计算机的思考

冯·诺依曼是匈牙利人，在二战的阴云下，离开了欧洲，带着对纳粹不可原谅的仇恨、对俄国人日益加深的不信任，以及决心从此不再让自由世界在军事上陷入弱势地位的想法，因为它迫使人们向希特勒妥协，同时德国这个战争机器的实力也得以增强。

冯诺依曼积极参与美国军方武器研制的过程，ENIAC是第一台通用电子计算机，他首度参观ENIAC的时间是1944年8月（按照戈德斯坦的说法）或9月（按照埃克特和莫齐利的说法）。戈德斯坦说：“那一瞬间改变了他的余生。”他把自己巨大热情和天赋投入到计算机研制和运用的事业中。

1945年6月30日，《关于离散变量自动电子计算机的草案》经油印复印，由莫尔学院限量发行，其中描述了高速存储程序的电子数字计算机设计的轮廓，包括编码指令的必要陈述和解释：“必须给出该设备详尽的细节。”这台计算机的功能元件分为一个分层存储器、一个控制元件、一个中央运算器，以及输入/输出通道，这种结构今天仍然被称为“冯·诺依曼体系结构”。一个快速内存储器耦合一个更大的辅助存储器，并依次与无限多的穿孔卡片或无限长度的纸带连接，就能产生图灵所规定的无限存储空间。内存和处理器之间单一通道的障碍被称为“冯·诺依曼瓶颈”，冯·诺依曼一开始就曾尝试解决这个问题，不过并未成功。

冯·诺依曼主张，“推动近似和计算数学（涉及因数为1万或更大）发展的重要性，不仅在于人们可能因此节省1万倍的时间，或者说，数值增大100倍却只需要现在1/100的时间，而且在于人们将能够解决目前看来完全解决不了的问题。”

他想制造一台高速全自动通用电子计算机，这台机器可以回答人们想问的任何问题。

很多顶尖机构都想争夺冯诺依曼去制造计算机，最终普林斯顿拔得头筹。冯诺依曼在普林斯顿高等研究院搭建团队建设MANIAC计算机。

冯·诺依曼的目标是构建一台以电子速度运行的通用图灵机，其核心就是一个32×32×40位矩阵的高速随机存取内存——这也是迄今为止，所有数字化设备的核心所在。“随机存取”意味着所有单个存储单元共同构成了计算机的内在“灵魂”，并且可以随时同步进行访问。“高速”意味着内存能够以光速而非声速进行存取访问。正是这一限制的消除，才使得通用图灵机的能力得以释放出来。否则，它只是一个不切实际的构想。

在那个年代，半导体技术尚未发明，各种电子元器件的可靠性都很差，难以输出稳定的结果。设计方面，工程思路方面，冯诺依曼依然给出了巨大的帮助。

他于1951年创作了《不可靠元件构成的可靠组织》，以及于1952年创作了《由不可靠元件构建可靠系统的概率逻辑》。

冯诺依曼依给了我们一个忠告：莫为天下先。这有助于让高等研究院的项目处于领先地位。“我们团队取得成功，并领先别人一大步，其中一个原因是我们设定了若干有限的目标，即我们不会生产任何新的组件，”毕格罗补充道，“我们会尝试并使用那些可用于标准通信目的的组件。我们选择的真空管为大规模生产且很常见的类型，这样我们就有希望得到可靠的组件，而不必进行组件的研究。”

“约翰尼过去每周都会和我们单独见一次，询问我们完成了什么、如何作业、面临什么问题、观察到什么症状、诊断出什么原因，”罗森伯格说，“每一个问题恰恰都是基于他迄今为止所发掘的信息而做出的最好的提问。他的逻辑完美无缺，他从来没有问过无关紧要或错误的问题。他的问题就像机关枪扫射一样，展示了他闪电般的快速且无差错的思维。只要大约一小时，他就让我们每个人清楚了自己已经完成的工作、遭遇到的问题，以及从何处寻找问题的原因。这就像用明亮的镜子照东西，排除所有不必要的影像，只留下重要的细节。”

冯诺依曼在思考计算机的时候，就考虑到对程序员的背景要求。他没有数学基础的夫人就成为程序员先驱，为核武器模拟做了大量优秀工作。克拉拉回忆道，“他也想看看对这一领域经验很少或者完全没有经验的人，会怎样使用这种做数学的新方法。在这个实验中，他需要一个实验对象，最好是数学白痴，符合这一条件的理想对象无疑近在咫尺，那就是我。”

在计算机系统日趋完善的时候，冯诺依曼推动把计算机相关技术公开的公用领域，没有应用专利进行保护，全世界都可以免费复制。在报告中，不但描述是什么，还讨论了为什么。

1947年6月，戈德斯坦、伯克斯和冯·诺依曼宣誓作证：“这是我们的意图和愿望，其中包含的可能具有专利性质的任何材料都将在公共领域予以公布。”MANIAC及其程序的所有技术细节都在公共领域被公布，全世界都可以免费复制。一系列进展报告被公之于众，其中包含了清晰的思想和技术细节的模型。据图灵战时的助理杰克·古德（I.JackGood）称，“这些报告的显著特点是他们赋予了每个设计决策明晰的理由，这一特点在后来的作品中很少见”。

冯诺依曼在计算机研制过程中起到了什么作用？再看看他的朋友圈是怎么说的。

“冯·诺依曼非常深刻地理解这一点，”毕格罗证实说，“所以，审视ENIAC或者早期一些结构非常僵化的机器时，他比任何人都清醒地看到，这只是第一步，之后还会有很大的进步。”毕格罗说，“冯·诺依曼的贡献是带来了这样不可动摇的信心：‘干吧，其他都没什么大不了的，让它以这样的速度和性能运行，其余的只是一大堆废话。’实际上，正是基于那种信念，我们凭着6个人和一份预算说干就干”。

冯·诺依曼的做法是把少数几位工程师引入数学家的地盘，这使得这个项目摆脱了来自工程师方面的任何制约，因为一个既定的工程师团队会对如何建造计算机抱有预先存在的想法。“我们是传教士，”毕格罗说，“我们的使命是生产一台机器，它会展示高速计算的效用。”

1976年，毕格罗总结道：“一长串不可能的偶然事件的发生，让我们参与其中。我们大多拥有着朴素的愿望，都勤奋工作、无私奉献。因为我们当时相信并且知道，这件事只发生在少数的地方，能参与其中是我们的幸运。我们之所以肯定，是因为冯·诺依曼清除了我们思想中的蜘蛛网，再没有人能做到这一点。计算能力的浪潮即将爆发，它淹没科学和其他许多领域的一切事物，世界将为之一新。”

冯诺依曼想用计算机做什么？

冯·诺依曼对建造计算机没有太大的兴趣，他更感兴趣的是计算机能够做什么。他想到了数理生物学、数学天文学和地球科学。

“20世纪50年代初期的某一天，我、冯·诺依曼和其他几个人站在普林斯顿电子计算机工程大楼外面，”约瑟夫·司马格林斯基回忆说，“约翰尼抬头看着局部多云的天空说道：‘你们觉得我们能预测那个吗？’”

冯·诺依曼指出：“预测天气的数学问题属于可以解决的一类，也应该得到解决，因为最显眼的气象现象发源于不稳定或亚稳定的情况，通过释放一定的能量，可以控制或至少可以引导这些情况。”

冯·诺依曼和佐利金提出，不仅要制造计算机，还要打造遍及全球的计算机网络。“有了足够数量的这类机器（随意地提到了100），就可以设立区域站点，这有可能实现世界各地的天气预测。”

冯·诺依曼把问题划分为三种情况：第一种为短期，天气情况更多地取决于初始条件，而非后续的能量输入与耗散。通过充分的观测，以及足够的计算，就可以做出短期预测（时间跨度大约为几天到一周）。第二种为中期，时间超过一周，初始条件所产生的影响和能量输入与耗散所产生的影响逐步分化，预测大气的行为变得非常困难，甚至完全不可能。第三种为长期，“大气很快就忘记了它初始的样子，”汤普森说道，“其行为几乎完全由每天的能量输入与耗散的综合影响来主宰。”对这些输入与耗散有了足够的认识后，预测气候（而不是天气）在计算方面就不难处理了。

1953年，有5组不同的问题在MANIAC上运行，根据不同的时间尺度，它们分别是：（1）核爆炸，以微秒为单位；（2）冲击和爆炸波，从微秒到分钟；（3）气象学，从几分钟到数年；（4）生物进化，从数年到数百万年；（5）恒星演化，从数百万年到数十亿年。所有这一切都在5千字节的存储器中运行。

冯诺依曼对机器的自动复制有着强烈的兴趣，并对生物世界的复制进行了同样深入的思考和比较。

在发现生物体的繁殖是如何通过编码DNA的指令串来协调的前夕，冯·诺依曼强调复杂生物体要在一个嘈杂的、不可预知的环境中生存下来，必须定期采用数字纠错码复制自己的最新副本。补充。“如果每一个错误都需要找出、解释和纠正，那么生物体的复杂性系统就无法存活，哪怕1毫秒，”

自动机能制造出和本身复杂度相当或者更高的后代吗？冯·诺依曼解释说：“低级的‘复杂性’可能是退化性的，即每一个可以制造其他自动机的自动机只能产生较不复杂的自动机。然而，存在一定程度的复杂性，超过这一水平。如果对合成现象进行适当安排，就会发生爆炸性的变化。换句话说，自动机的合成可以通过这样一种方式进行：每个自动机将产生比自身更为复杂、更具潜力的自动机。”

在他生前最后一次站着演讲。“我们能做的最好的事情就是将所有流程区分开来，看哪些适合由机器完成，哪些适合由人类完成，”他建议说，“然后找到促成机器和人类完成使命的方法。”

如果冯·诺依曼活得久一些，就有可能将注意力转移到基因代码上来，不过在生命快要走到尽头的时候，他关注了在大脑中处理信息的问题。 “冯·诺依曼最后为即将到来的耶鲁大学西利曼纪念讲座准备的手稿未能完成，只是以最低限度粗略地描绘了他计划思考的东西”。克拉拉对这份手稿做了编辑，在他去世后，以《计算机与人脑》一书出版。冯·诺依曼试图解释两个系统之间的差异，第一个差异就是我们近乎了解电子计算机中发生的一切，但是对人脑却几乎一无所知。

2016-05-18 广州