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致敬计算机之父——冯·诺依曼

发布时间:2019-07-09 15:47 来源:未知 编辑:admin

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  2月8日是冯·诺依曼逝世60周年的日子,他是20世纪最重要的数学家之一,在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等诸多领域内有杰出建树的最伟大的科学全才之一,被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”。如今人们热烈讨论的AlphaGo、人工智能,与冯·诺依曼同样分不开。

  预先编制计算程序,然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。——冯·诺依曼

  冯·诺依曼生于1903年12月28日,逝于1957年2月8日。冯·诺依曼在数学、理论物理和逻辑领域都做出了很多贡献。

  冯·诺伊曼从小就以过人的智力与记忆力而闻名。冯·诺伊曼一生中发表了大约150篇论文,其中有60篇纯数学论文,20篇物理学以及60篇应用数学论文。他最后的作品是一家在医院未完成的手稿,后来以书名《计算机与人脑》发布,表现了他生命最后时光的兴趣方向。

  他同辈的朋友和晚一辈的同行都认为他是当时最聪明的人。他1930年先知先觉地加入普林斯顿大学任教,1933年再加入普林斯顿高等研究院作为创始数学家之一。二战期间他为曼哈顿计划工作。二战结束后,他的大部分精力都花在电子计算机项目。

  计算机科学一直都有两条互相交错的路线,工程路线终究可以追溯到冯·诺依曼,而理论的起源则在图灵。他们共同关注的课题是大脑和智能。

  冯·诺依曼做了无数一流的工作,但他没有像哥德尔定理或图灵机一样的特级成果。

  以赛亚·伯林借用古希腊诗人阿基罗库斯(Archilochus)关于刺猬和狐狸的比喻,把人分为刺猬和狐狸两种,狐狸是全才,知道很多事,但刺猬只知道一件大事。全才科学家弗里曼·戴森借用同样的说法把科学家也照此分类,但他用了飞鸟和青蛙的比喻,飞鸟更像是刺猬,而青蛙更像是狐狸。

  在戴森看来,希尔伯特、杨振宁都是高瞻远瞩的飞鸟,而冯·诺依曼和费曼则属接地气的青蛙,爱因斯坦当然是超级大鸟。

  是冯·诺依曼发现了哥德尔定理的重要性,他称哥德尔是亚里士多德以来最伟大的逻辑学家。

  他曾半开玩笑:要是他不知道哥德尔不完全性定理的话,说不定他很快就能证明一阶逻辑是完全的——就在他得知哥德尔不完全性定理的前几天,他做梦证明了完全性定理。

  冯·诺依曼欣赏并提携了图灵。其实,在图灵1936年那篇开天辟地的文章刚出来时,冯·诺依曼并没有立即意识到这篇文章的重要性,他在给图灵写奖学金推荐信时,提到了图灵在冯·诺依曼自己感兴趣的几个领域里展现的才能,恰恰却没有提及逻辑和图灵机。

  也许1931年由于哥德尔定理给冯·诺依曼造成的心理冲击,他还没有缓过劲来。就像当时所有关注逻辑的主流数学家一样,哥德尔定理之后,他们都与逻辑渐行渐远。倒是哥德尔最早慧眼识英雄:他一开始也没有对自己的递归函数那么有信心,但在得知图灵机的那一刻,他立即认为图灵机比自己的递归函数更令人信服。

  据冯·诺依曼的朋友们回忆:在1938年图灵回英国前后,冯·诺依曼已经认真读过图灵那篇文章了。冯·诺依曼曾想把图灵留在普林斯顿做自己的助手,但已经对美国生活厌恶的图灵婉拒了。

  冯·诺依曼留下了无数的继承者。他的助手伯克斯(Burks)培养了第一位计算机科学的博士霍兰德(Holland),冯·诺依曼在细胞自动机和DNA的工作间接影响到霍兰德,他的博士论文发明了遗传算法,霍兰德的大弟子巴托尔(Barto)和巴托尔的大弟子萨顿(Sutton)发明了强化学习,强化学习被用在谷歌的AlphaGo击败了几乎所有围棋超级大师、被用在卡内基梅隆大学的Libratu赢得了德州扑克大赛。

  冯·诺依曼的同样工作还影响了天才Wolfram,Wolfram一直在研究细胞自动机,他的副产品是数学软件Mathematica和搜素引擎Alpha。在Wolfram的《新科学》(A New Kind of Science)一书中,冯·诺依曼被提及12次,排名第二;排名第一的是图灵,被提及19次。冯·诺依曼和经济学家摩根斯顿合作的《博弈论》让另一位数学天才纳什的心灵变得更美丽,助他获得1994年诺贝尔经济奖。他证明了两人零和游戏中存在minimax策略,这从某种意义上,是计算机下棋经典算法alpha-beta的前兆。丹奇格的线性规划单纯形算法也得益于冯·诺依曼的指教。

  20世纪初,物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。所以,那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。20世纪30年代中期,冯·诺依曼大胆的提出,抛弃十进制,采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时,他还说预先编制计算程序,然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。

  冯·诺依曼理论的要点是:数字计算机的数制采用二进制;计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构。从ENIAC(ENIAC并不是冯诺依曼体系)到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

  冯·诺依曼架构(如图1所示)有五个构成部分,分别是运算器、逻辑控制装置、存储器、输入系统、输出系统。冯·诺依曼架构在互联网条件下的新人工智能时代可以补充两个部分,通过这种补充,试图将人,机器,人工智能系统用一个更为明晰的方式表示出来。第一个是创新创造功能,即能够根据已有的知识,发现新的知识元素和新的规律,使之进入到存储器,供计算机和控制器使用,并通过输入输出系统与外部进行知识交互;第二个是能够进行知识共享的外部知识库或云存贮器,而冯.诺依曼架构的外部存储其只为单一系统服务。

  1955年冯·诺依曼被诊断出癌症,人们认为这和他参与曼哈顿项目受到核辐射有关。在病中,他接受了耶鲁大学西里曼讲座的邀请,但在讲座期间,他身体已经太虚弱了,没法到现场。在冯·诺依曼生命的最后几年,他的思想仍甚活跃,他综合早年对逻辑研究的成果和关于计算机的工作,把眼界扩展到一般自动机理论。他以特有的胆识进击最为复杂的问题:怎样使用不可靠元件去设计可靠的自动机,以及建造自己能再生产的自动机。从中,他意识到计算机和人脑机制的某些类似,这方面的研究反映在西列曼讲演中;逝世后才有人以《计算机和人脑》的名字,出了单行本。尽管这是未完成的著作,但是他对人脑和计算机系统的精确分析和比较后所得到的一些定量成果,仍不失其重要的学术价值。

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