冯·诺伊曼等人成功研制第一台电子计算机

第二次世界大战促进了电子计算机的发展。在二次大战中,美国宾夕法尼亚大学的莫尔电工学院同阿伯丁弹道研究实验室共同负责,给陆军提供弹道表。这项任务困难而紧迫。每一张表都要计算几百条弹道。一个熟练的计算员用台式计算机计算一条飞行时间为60秒的弹道,要花20个小时。从战争一开始,阿伯丁实验室就聘请了200多名计算员从事这项工作,即便这样,有些弹道表也要计算两三个月,根本无法满足作战的要求。
为了迅速改变这种被动局面,需要采取紧急措施,研究制造一种能提高计算能力和速度的方法和工具。于是,在1943年4月9日,美国有关方面在阿伯丁召开重要决策会议,研究电子计算机的制造工作。参加会议的有阿伯丁弹道实验室的负责人军方代表格尔斯坦中尉、宾夕法尼亚大学莫尔电工学院有关人员以及实验室主要科学顾问、著名数学家维伯伦博士。
会议的气氛紧张而严肃。当时,美国作为一个同盟国,已经参战。战争,要求军工部门尽快提供新式武器装备。而阿伯丁试验场是专门为军工部门生产武器装备性能,然后定型装备作战部队的。而试验时的弹道计算,则关系到武器装备的定型周期,显而易见,高速运算的电子计算机的研制已迫在眉睫。
会上,军方代表格尔斯坦中尉就制造第一台电子计算机问题首先作了简要说明。他说莫尔学院电工系的莫希莱已经提出了第一台电子计算机的最初方案。原来,莫希莱早在1942年8月写了一份《高速电子管计算装置使用》的备忘录,曾在同事中传阅,被格尔斯坦发现并给予肯定。同时,这个备忘录还特别引起研究生埃克特的兴趣。
会议对这个方案要不要上马的问题进行讨论。一直在沉思倾听格尔斯坦发言的维伯伦博士立即站起来,对弹道实验室负责人西蒙上校说:“西蒙,给格尔斯坦研究经费吧!”说完便离开了会议室。维伯伦是这项工作的重要决策者之一,他的意见具有举足轻重的意义。
6月5日,美军陆军军械部与莫尔电工学院签订合同,预算研制经费15万美元。这台电子计算机取名叫“电子数值积分和计算机”,英文缩写是ENIAC。
领导这项研制工作的总工程师是年仅24岁的埃克特。他主要负责解决制造中一系列困难而复杂的工程技术问题。30多岁的莫尔学院电工系的物理学家莫希莱,负责电子计算机的总体设计。格尔斯坦负责组织工作。美籍匈牙利著名数学家冯·诺伊曼也积极参与了研制工作。经过两年多的艰苦努力,终于在1945年底研制成功世界上第一台电子计算机。
这台计算机主要由5个部分组成:控制,运算,存贮,输入,输出。
控制部分是按计算程序工作的。所谓计算程序,就是人们事先编好的进行计算的步骤,它由一连串指令组成,每条指令规定用哪些数据做什么样的运算。在ENIAC运算过程中,计算程序是从外面输入的,叫做程序外插型,改换算题就要改变计算机和外插程序相连接的接线板,十分麻烦。
运算部分主要进行加减法运算,复杂的运算被分解成一系列的加减法来进行。ENIAC采用十进位制,每秒钟运算五千次,比已有的计算机快一千多倍,这是计算速度的飞跃。
存贮器主要存贮计算过程需要的数据和指令。ENIAC内部设有程序存贮器,只有用电子管做的寄存器,它可以寄存运算过程中十位数以下的数字,存贮量是十分有限的。
输入部分可以通过卡片或纸上带孔的组合,把指令和数据输入到计算机里去,通过光电和其他办法,把数据和指令转换成计算机能够接受的电信号。
输出部分是用来把计算机结果转换成人们所能识别的数字、字母或者图象的装置。
ENIAC共用18000个电子管,7000只电阻,10000只电容,重30吨,耗电140千瓦,占地170平方米,差不多有10间房子大小。它的实际造价大约是48万美元。
ENIAC计算机的问世,开创了电子计算机发展的新时代。但是,这台计算机又笨又重,计算速度也并不理想。解题的布局是用接线板来确立的。当为一个算题联通电路时,需要完成几百个线接头,虽然计算只要几分钟,但接线实际上往往需要几个人干好几天。针对这种情况,美国军方向ENIAC计算机设计者们提出了建造更高级的电子计算机的要求。这个光荣而艰巨的任务,历史性地落在了冯·诺伊曼(1903—1957)的肩上。
诺伊曼是20世纪最杰出的数学家之一。1903年12月3日,诺伊曼生于匈牙利布达佩斯的一个犹太人家庭。他童年即具有理解概念和解决问题的非凡速度及惊人的记忆力。他6岁时就能用心算法做8位数除法,8岁时掌握微积分,12岁时已能读懂法国大数学家保莱尔的专著《函数论》。他有十分惊人的记忆力,据说看一遍电话号码薄,就能记住其中的姓名、地址和电话号码。1926年在苏黎世工业大学取得化学工程毕业文凭后,同年在布加勒斯特大学以关于集合论的论文获博士学位。1926—1930年,诺伊曼先后在柏林大学和汉堡大学任讲师。1930年,他赴美国普林斯顿大学任教授,并加入美国国籍。
冯·诺伊曼的研究课题涉及许多科学领域:集论与代数、测度理论、拓扑学与自动化理论等。1940年以后,他以很大精力从事应用数学问题的研究,并取得了许多重要成果。第二次世界大战后期,他参加了研制原子弹的“曼哈顿”工程,为第一颗原子弹的研制成功,解决了不少紧迫的应用数学问题。
1944年,一个偶然的机会,使诺伊曼投身于世界上第一台电子计算机的研制工作,并在这个领域中建立了他一生中最可称道的丰功伟绩。
在美国军方的要求下,诺伊曼承担了建造更高级电子计算机的历史使命,并立即抓住了计算机制造中最核心问题——机器的逻辑结构问题,提出了新的方案。仅仅经过10个月的奋战,一台比埃尼阿克更先进的计算机便设计出来了。这台新型计算机叫“离散变量自动电子计算机”英文缩写为EDVAC。
1944年8月到1945年6月,在冯·诺伊曼的领导下,制定了EDVAC方案。
和ENIAC相比,EDVAC的重大改进主要有3个方面。第1,把10进制改成为2进制。2进制是用0和1的不同组合方式来表示所有数的一种进位制,可以充分发挥电子元件高速运算的优越性。一个电子元件的开或关就可以表示0和1。现代的电子计算机都采用二进位制。第2,利用包含水银柱的特殊电路做存贮器。电信号可以转换成超声波信号存贮在这种存贮器里。用同等数量电子管,存贮能力比ENIAC提高100倍。第3,把程序外插变做程序内存。程序内存就是把计算数据和计算程序一起输入到计算机,存贮在存贮器里。计算机可以从一个程序指令自动进入下一个程序指令。当要改换算题的时候,只要改换计算程序,根本不用变换接线板,因此成为通用数字计算机。以后所诞生的各种电子计算机,都是根据诺伊曼的这一设计原则和方法来设计制造的。正是因为这个原因,人们怀着崇敬的心情,称誉诺伊曼是“电子计算机之父”。

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