Дело Јована фон Нојмана

Јохн вон Неуманн

Јохн вон Неуманн рођен је у Будимпешти 28. децембра 1903. године у богатој банкарској породици која је уздигнута до мађарског племства. Од малена је показивао сјајан интелект и био је етикетиран као вундеркинд. До шесте године, вон Неуманн је могао да говори старогрчки и да у глави дели пар 8-цифрених бројева, а до 8 је научио диференцијални и интегрални рачун. Када је вон Неуманн имао 15 година, његов отац је уредио да Габор Сзего буде његов приватни учитељ математике. На њиховој првој лекцији, чувени математичар Сзего доведен је до суза након што је гледао брзину и способност младог вон Неуманна. Поред ових невероватних подвига, вон Неуманн је имао и фотографско памћење и могао је рецитовати читаве романе од речи до речи.

Вон Неуманн је завршио двогодишњи сертификат из хемије на Универзитету у Берлину и докторат из математике на Универзитету Пазмани Петер. По завршетку доктората, вон Неуманн је отишао на Универзитет у Гетингену да би студирао код Давида Хилберта, једног од важних математичара чији је рад помогао у развоју рачунара. Након тога, вон Неуманн је отишао на Универзитет Принцетон да прихвати доживотно именовање за Институт за напредне студије. Његова канцеларија била је удаљена неколико врата од канцеларије Алберта Ајнштајна, а Ајнштајн се жалио да је вон Неуманн прегласно пуштао немачку музичку маршу на свом фонографу у канцеларији.

Док је био на Принцетону, вон Неуманн је доведен да ради на пројекту Манхаттан. Много је путовао у лабораторију у Лос Аламосу како би надгледао развој атомског оружја и био је пресудан у многим фазама дизајна и конструкције два нуклеарна оружја бачена на Јапан. Био је очевидац првог испитивања атомске бомбе 16. јула 1945, и служио је у комитету који је имао задатак да одлучи која ће два јапанска града бити мета за бомбу. За своје учешће у пројекту Манхаттан, вон Неуманн је постао можда највећа инспирација за лик Др. Странгелове у истоименом филму Станлеи Кубрицк-а.

Др. Чудна љубав

Отприлике у време док је радио на атомској бомби, вон Неуманн је почео да ради на идејама које би биле основа рачунарске науке. Вон Неуманн се годинама раније састао са Аланом Турингом, а извештаји сугеришу да је на вон Неуманна утицао Турингов рад „О рачунским бројевима“.”Свакако, због свог претходног рада са Хилбертом, вон Неуманн је био у сјајној позицији да препозна значај Туринговог дела.

1945. године, док је у завршној фази свог рада на пројекту Манхаттан, вон Неуманн рекао пријатељима и колегама да размишља о још више последичном раду. Док је возио за Лос Аламос, вон Неуманн је написао документ под називом „Први нацрт извештаја о ЕДВАЦ-у“. Овај документ од 101 странице садржи дизајн вон Неуманнове архитектуре, која је остала доминантна парадигма у рачунарској архитектури од њеног увођења. Вон Неуманнова архитектура се обично повезује са рачунарским концептом ускладиштеног програма, али такође укључује четвороделни дизајнирани дизајн који се разликује од осталих концепата ускладиштеног програма.

Што је најважније, вон Неуманнова архитектура је рачунар са ускладиштеним програмом. Рачунари са ускладиштеним програмом користе једну меморијску јединицу за чување и рачунарских програма и података које рачунарски програми узимају као улаз. Дизајн ускладиштеног програма је у супротности са архитектуром Харварда, која користи одвојене меморијске јединице за чување рачунарског програма и података програма.

Идеју о архитектури ускладиштеног програма прећутно је предложио Турингов рад на универзалним Туринговим машинама, јер су ове машине теоријске верзије рачунара са ускладиштеним програмом. Међутим, вон Неуманн је препознао вредност експлицитног инжењеринга овог својства у рачунарима. Алтернативне методе програмирања рачунара захтевале су ручно повезивање или поновно повезивање рачунарских кола, поступак који је био толико радно захтеван да су рачунари често били направљени за једну функцију и никада нису репрограмирани. Са новим дизајном, рачунари су постали лако програмибилни и способни да имплементирају много различитих програма; међутим, морале су бити омогућене контроле приступа како би се спречило да одређене врсте програма попут вируса репрограмирају кључни софтвер попут оперативног система.

Најпознатије дизајнерско ограничење вон Неуманнове архитектуре назива се 'вон Неуманново уско грло'. Фон Неуманново уско грло је узроковано архитектуром ускладиштеног програма, јер подаци и програм деле исту магистралу до централне процесне јединице. Пренос информација из меморије у ЦПУ је обично много спорији од стварне обраде у ЦПУ. Вон Неуманнов дизајн повећава количину потребног преноса информација јер и рачунарски програм и подаци програма морају бити пребачени на ЦПУ. Једна од најбољих метода за решавање овог проблема била је употреба ЦПУ кеша. ЦПУ кеш меморије служе као посредници између главне меморије и ЦПУ-а. Ове ЦПУ кеш меморије пружају мале количине брзо доступне меморије у близини језгра процесора.

Вон Неуманнова архитектура састоји се од четири дела: управљачке јединице, процесорске јединице (укључујући аритметичку и логичку јединицу (АЛУ)), меморијске јединице и улазно / излазних механизама. Улазно-излазни механизми укључују стандардне уређаје повезане са рачунарима, укључујући тастатуре као улазе и екране екрана као излазе. Улазни механизми уписују у меморијску јединицу која чува рачунарске програме и податке програма. Контролна јединица и процесорска јединица чине централни процесор. Контролна јединица усмерава централну обраду у складу са упутствима која добије. Јединица за обраду садржи АЛУ која изводи основне аритметичке или битне операције на низу битова. АЛУ може обављати много различитих функција; стога је функција управљачке јединице да усмери АЛУ тако да врши тачну функцију на исправном низу.

Вон Неуманнова архитектура

Након свог представљања, вон Неуманнова архитектура постала је стандардна рачунарска архитектура, а архитектура Харварда пребачена је на микроконтролере и обраду сигнала. Вон Неуманнова архитектура је и данас у употреби, али новији и сложенији дизајни инспирисани вон Неуманновом архитектуром помрачили су оригиналну архитектуру у смислу популарности.