Phenquestions
John von Neumann
John von Neumann sündis Budapestis 28. detsembril 1903 rikkas pangandusperes, mis oli tõstetud Ungari aadli hulka. Juba väiksest peale näitas ta suurt intellekti ja temale anti imelaps. 6. eluaastaks oskas von Neumann rääkida vanakreeka keelt ja jagada oma peas kaheksakohalise arvu paari ning kaheksaks oli ta õppinud diferentsiaal- ja integraalarvutuse. Kui von Neumann oli 15-aastane, korraldas isa, et Gábor Szegő oleks tema eraõpetaja. Esimesel õppetunnil pandi kuulus matemaatik Szegő nutma, olles jälginud noore von Neumanni kiirust ja võimekust. Lisaks neile uskumatutele saavutustele oli von Neumannil fotomälu ja ta oskas sõna-sõnalt ette lugeda terveid romaane.
Von Neumann lõpetas Berliini ülikoolis kaheaastase keemiatunnistuse ja Pázmány Péter Ülikooli matemaatika doktorikraadi. Pärast doktorikraadi omandamist suundus von Neumann Göttingeni ülikooli õppima ühe olulise matemaatiku David Hilberti käe alla, kelle töö aitas arvutit arendada. Pärast seda läks von Neumann Princetoni ülikooli, et võtta vastu eluaegne kohtumine kõrgemate uuringute instituuti. Tema kabinet oli Albert Einsteini kabinetist mitme ukse kaugusel ja Einstein kurtis, et von Neumann mängis oma kontorifonograafil liiga valjult saksa marsimuusikat.
Princetonis viibides toodi von Neumann Manhattani projekti kallale. Ta tegi palju reise Los Alamose laboratooriumi, et jälgida aatomirelvade arengut ning tal oli kahe Jaapanile visatud tuumarelva kavandamise ja ehitamise mitmel etapil ülioluline roll. Ta oli 16. juulil 1945 toimunud aatompommi esimese katse pealtnägija ja töötas komitees, mille ülesandeks oli otsustada, millised kaks Jaapani linna on pommi sihtmärgid. Manhattani projektis osalemise eest sai von Neumannist võib-olla suurim inspiratsioon tegelasele Dr. Strangelove Stanley Kubricku homonüümses filmis.
dr. Strangelove
Umbes sel ajal, kui ta aatomipommi kallal töötas, hakkas von Neumann tegelema arvutiteaduse aluseks olevate ideedega. Von Neumann oli aastaid varem Alan Turingiga kohtunud ja aruanded näitavad, et von Neumanni mõjutas Turingi paber „Arvutatavate arvude kohta."Kindlasti oli von Neumannil varasema töö tõttu Hilbertiga suurepärane tunne Turingi töö olulisust ära tunda.
1945. aastal, kui Manhattani projekti kallal töötamise viimasel etapil ütles von Neumann sõpradele ja kolleegidele, et ta mõtleb veelgi järjepidevamale tööle. Los Alamosesse rongil olles kirjutas von Neumann dokumendi „EDVACi aruande esimene kavand”. See 101-leheküljeline dokument sisaldab von Neumanni arhitektuuri kujundust, mis on selle juurutamisest alates olnud domineeriv paradigma. Von Neumanni arhitektuur on tavaliselt seotud salvestatud programmi arvuti kontseptsiooniga, kuid see sisaldab ka neljaosalist kujundatud kujundust, mis erineb teistest salvestatud programmi kontseptsioonidest.
Kõige tähtsam on see, et von Neumanni arhitektuur on salvestatud programmiga arvuti. Salvestatud programmiga arvutid kasutavad ühte mäluseadet nii arvutiprogrammide kui ka andmete salvestamiseks, mida arvutiprogrammid sisendina võtavad. Salvestatud programmi kujundus vastandub tavaliselt Harvardi arhitektuurile, mis kasutab arvutiprogrammi ja programmi andmete salvestamiseks eraldi mäluüksusi.
Salvestatud programmi arhitektuuri idee pakkus vaikivalt välja Turingi töö universaalsete Turingi masinate osas, kuna need masinad on salvestatud programmiga arvutite teoreetilised versioonid. Kuid von Neumann tunnistas selle omaduse selgesõnalise arvutites arvutamise väärtust. Alternatiivsed arvutite programmeerimismeetodid eeldasid arvuti vooluahelate käsitsi ühendamist või uuesti ühendamist. See protsess oli nii töömahukas, et arvutid ehitati sageli ühe funktsiooni jaoks ja neid ei programmeeritud kunagi ümber. Uue kujundusega muutusid arvutid hõlpsasti ümber programmeeritavaks ja võimaldasid rakendada paljusid erinevaid programme; siiski pidi olema lubatud juurdepääsukontroll, et takistada teatud tüüpi programmide, näiteks viiruste, olulise tarkvara, nagu opsüsteemi, ümberprogrammeerimist.
Von Neumanni arhitektuuri kõige tuntumat disainipiirangut nimetatakse von Neumanni pudelikaelaks. Von Neumanni kitsaskoha põhjustab salvestatud programmi arhitektuur, kuna andmed ja programm jagavad sama siini keskprotsessoriga. Teabe edastamine mälust protsessorisse toimub tavaliselt palju aeglasemalt kui protsessori tegelik töötlemine. Von Neumanni disain suurendab vajaliku teabe edastamise mahtu, kuna nii arvutiprogramm kui ka programmi andmed tuleb protsessorisse edastada. Üks parimaid meetodeid selle probleemi leevendamiseks on olnud protsessori vahemälude kasutamine. CPU vahemälud toimivad vahendajana põhimälu ja protsessori vahel. Need protsessori vahemälud pakuvad protsessori südamiku lähedal väikeses koguses kiirelt ligipääsetavat mälu.
Von Neumanni arhitektuur koosneb neljast osast: juhtplokk, töötlusseade (sealhulgas aritmeetiline ja loogiline üksus (ALU)), mäluseade ning sisend- ja väljundmehhanismid. Sisend- ja väljundmehhanismid hõlmavad arvutitega seotud standardseadmeid, sealhulgas sisendina klaviatuure ja väljunditena ekraaniekraane. Sisestusmehhanismid kirjutavad mäluseadmesse, kuhu salvestatakse arvutiprogrammid ja programmi andmed. Juhtimisseade ja töötlusseade sisaldavad keskset protsessorit. Juhtplokk suunab keskset töötlust vastavalt saadud juhistele. Töötlusseade sisaldab ALU-d, mis teostab bittide stringil põhilisi aritmeetilisi või bitipõhiseid toiminguid. ALU suudab täita palju erinevaid funktsioone; seetõttu on juhtploki ülesandeks suunata ALU nii, et see täidaks õigel stringil õiget funktsiooni.
Von Neumanni arhitektuur
Pärast selle kasutuselevõttu sai von Neumanni arhitektuur tavaliseks arvuti arhitektuuriks ning Harvardi arhitektuur langes mikrokontrollerite ja signaalitöötluse alla. Von Neumanni arhitektuur on tänapäevalgi kasutusel, kuid von Neumanni arhitektuurist inspireeritud uuemad ja keerukamad kujundused on originaalse arhitektuuri populaarsuse poolest varjutanud.
