Джон фон Нейман, архитектор компьютерной Вселенной

Свое странное имя, состоящее из трех плохо сочетаемых частей, Джон фон Нейман приобрел в результате цепочки случайностей. На самом деле будущего гения звали Янош Лайош Нейман, и родился он в Будапеште 28 декабря 1903 года в венгерско-еврейской семье, которая принадлежала к определенным аристократическим кругам, любившим покупать дворянские титулы с приставкой «фон». Если хорошенько покопаться, то среди американских ученых середины прошлого столетия можно обнаружить много таких «фонов», и все они будут еврейскими венграми. Так получилось, что сначала Нейман обзавелся приставкой к фамилии, а американским «Джонни» стал, когда эмигрировал в США. Но обо всем по порядку.

Незаурядные способности Яноша проявились еще в детстве. Шести лет от роду он уже делил в уме восьмизначные числа и беседовал с отцом на древнегреческом, в 8 лет с легкостью ориентировался в высшей математике. В 10 Яноша отдали в элитную гимназию. Там ему повезло встретить Ласло Ратца, талантливого математика, воспитавшего не одного гения (среди его учеников Юджин Вигнер, лауреат нобелевский премии по физике, и Эдвард Теллер, «отец» водородной бомбы). Ласло Ратц, оценив способности мальчишки, попросил к Микаеля Фекте, математика из Будапештского университета, о частных уроках для Яноша. Его первая научная работа (написанная совместно с М. Фекте) вышла в свет, когда юноше исполнилось всего 18 лет! По счастью, у родителей Неймана были все возможности обеспечить ребенку прекрасное образование, что они и сделали. Правдаотец настоял на том, чтобы первенец (в семье было три сына) овладел сначала «жизненной» специальностью, а потом уже занимался абстракциями (коей считал математику). Нейман с математикой расставаться не собирался, но и перечить отцу не смел. Выходом он посчитал одновременное поступление в Федеральную высшую техническую школу в Цюрихе и на математический факультет Будапештского университета. И ему не составило особого труда получить диплом инженера-химика и одновременно защитить диссертацию, получив ученую степень доктора философии по математике.

К 23 годам фон Нейман становится самым молодым приват-доцентом Берлинского университета, а спустя два года получает ту же степень в университете Гамбурга, параллельно публикуя с десяток научных работ. В 1929 году его приглашают в Принстонский университет прочитать курс лекций по математике.

Принстон пришелся Джону по душе, и, рассудив, что в Германию ему лучше не возвращаться (шел 1932 год), он решает обосноваться в Америке. Вскоре Нейман присоединился к компании выдающихся соотечественников-венгров, работавших в Принстоне: Лео Сциларду и Эдварду Теллеру. Впоследствии все они дружно трудились на «благо» Манхэттенского проекта, разрабатывая ядерное оружие.

Впрочем, интересоваться одной только бомбой было не в характере Неймана. Он был из числа тех универсальных гениев, что «наследили» чуть ли не во всех разделах математической науки. Из 150 его трудов 20 касаются проблем физики, остальные распределены между чистой математикой и ее практическими приложениями. Также Нейману принадлежат новаторские работы по компьютерной теории, связанные с проблемами самовоспроизводящихся систем (а проще говоря, вирусов). Именно Нейман первым предложил метод создания таких программ.

Работа над бомбой требовала колоссального количества расчетов, и Нейман задумался об использовании специальных счетных машин. Возможности всех известных ему на тот момент не казались достаточными. Ученый был уверен: можно создать нечто гораздо более мощное. Совершенно случайно Нейману попадает в руки статья, где излагаются принципы кардинально иного подхода к автоматизации расчетов, а спустя некоторое время он знакомится с Аланом Тьюрингом и его абстрактной вычислительной машиной.

В общем-то, архитектурой фон Неймана называют именно машину Тьюринга, перенесенную из области абстракций в «железо». Но до этого важного события должно было произойти еще много «случайностей». Например, в крошечном городке Абердин на местной железнодорожной станции Нейман должен был встретить лейтенанта Германа Гольдштейна – профессора математики из Мичиганского университета. После призыва на службу Гольдшейн получил чин лейтенанта и руководил расчетом артиллерийских таблиц в баллистической лаборатории (расчеты делали сотни женщин – в те времена именно их и называли компьютерами). Оцените масштаб: для расчета одной только траектории полета снаряда приходилось совершать до 750 операций, а для передачи военным такого орудия – в четыре раза больше. На подобные операции уходили годы (!) работы. Военное ведомство мечтало эту деятельность как-то оптимизировать, и решением данной проблемы как раз занимался Гольдштейн. Совершенно неожиданно ему довелось наткнуться на статью Джона Мочли, сотрудника Муровской школы (Moore School of Electrical Engineering). Никто, кроме Гольдштейна, потенциала статьи не оценил. Он же сразу прикинул, что к чему, и чуть ли не на следующий день стоял на пороге Муровской школы. Вскоре благодаря Гольдштейну там начался проект ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer).

ENIAC – это машина, состоявшая из 18 тысяч ламп и весившая около 30 т. И вот эту «дуру» нужно было программировать с помощью коммутационных панелей. Программированием ENIAC занималась Адель Гольдштейн, в девичестве Кац. Она же стала первой программисткой в том понимании, которое мы сейчас вкладываем в это слово (70 лет назад программирование считалось сугубо женским занятием).

Именно Адель рассказала своему мужу о проблемах с ENIAC. И, когда Гольдштейн узнал в своем попутчике фон Неймана, чьи лекции о машине Тьюринга ему приходилось слышать, у него, как говорится, «в голове пазл сложился». Представляю удивление Неймана, когда на богом забытом полустанке к нему подскакивает неизвестный лейтенант с просьбой помочь перепрограммировать какую-то машину! Но попадание было феноменальное: благодаря стечению обстоятельств встретились проблема и человек, способный с ней справиться.

ENIAC, первое поколение компьютеров. Преспер Эккерт и Джон Мочли на переднем плане. Герман Гольдштейн - между двумя программистками

 «…Вы говорите, что машина не может делать все. Если вы скажете точно, что именно она не может делать, я могу создать машину, которая это сделает!» Многие из друзей Неймана сходились во мнении, что, слушая его, «начинаешь понимать, как должен работать человеческий мозг». Нейману хватило нескольких визитов в Муровскую школу, чтобы понять причины проблем и придумать нечто, способное их решить. Тут-то он и вспомнил про машину Тьюринга, где и программы, и данные записывались в оперативную память, в обход коммутации тысячи проводков и проводочков.

В 1944 году Джон уже вовсю трудился с группой Мочли над ENIAC, а спустя год стал одним из тех, кто придумал и разработал новую модель – EDVAC, которая, в отличие от предыдущей, могла хранить программы в своей внутренней памяти.

Это событие открыло новую эру – эру программирования. А далее Нейман повел себя, с позиции научной этики, весьма неоднозначно. В 1945 году был опубликован «Предварительный доклад о машине EDVAC», в котором он наметил основные принципы построения и компоненты современного компьютера. Фактически этим документом Нейман объявлял свое исключительное право на открытие. Однако, несмотря на то, что в действительности он сделал решающий вклад в разработку, почву для этого подготовили Джон Мочли и его группа. Нейман вместе с Гольдштейном просто успел написать документ раньше. Подобное поведение не делает чести ни тому, ни другому, к тому же опубликование этого документа нарушало все возможные требования секретности. Но статус одного из создателей атомной бомбы позволял Нейману вести себя практически как ему заблагорассудится.

После выхода этих работ компьютеры были признаны объектами, представляющими научный интерес, и их стали называть «машинами фон Неймана».

История создания новой компьютерной архитектуры получилась весьма поучительной. «Машины фон Неймана» своим появлением обязаны работе целой армии людей и, что немаловажно, счастливому стечению обстоятельств. Однако все заслуги в этой области теперь ассоциируются с именем одного лишь Джона фон Неймана. Интересно также, что в области вычислительных машин он – автор одной работы. Все попытки развивать языки программирования Джон объявлял бессмысленными, считая, что никакой практической пользы это занятие не принесет.

Заканчивая рассказ о Неймане, хотелось бы добавить к его портрету характерологических штрихов. Эдвард Теллер как-то пошутил, что Джон был «одним из немногих математиков, способных снизойти до уровня физика» (обычно физики свысока смотрят на математиков, считая их науку прикладной специальностью). Теллер шутил лишь отчасти, ведь среди коллег Джон неслучайно прослыл «ученым среди ученых», неким «новым человеком» (фамилия Нейман (Neumann) в переводе с немецкого означает «новый человек»).

О феноменальной памяти Джонни ходили легенды: он мог пересказать страницы книг, прочитанных много лет назад, попутно переводя текст на английский, немецкий, французский и итальянский языки. Нейман любил быть в центре внимания, был великолепным рассказчиком и невероятно интересным собеседником, способным поддержать разговор практически обо всем. Безупречная логика позволяла ему быть и хорошим психологом, понимающим суть явлений, которые большинство предпочитало не видеть: «Сетовать на эгоизм и вероломство людей так же глупо, как сетовать на то, что магнитное поле не может возрастать, если ротор электрического поля равен нулю: то и другое – законы природы».

Еще один естественный закон природы слишком рано отнял жизнь у Неймана. В 51 год врачи диагностировали у него костную форму рака. Болезнь быстро прогрессировала, и уже через несколько месяцев великий компьютерный архитектор Джон фон Нейман отправился на встречу с еще одним Великим Архитектором. По мнению Ларса Гординга, Джон спросил его при встрече, верна ли гипотеза Римана.