计算机之父是谁（人物简介和历史贡献）
过了很久，科学家中的全才系列文章才终于完结，今天带给大家的是冯·诺依曼的传奇人生。
前两篇文章的链接：
《量子力学的数学基础》（1926）、《计算机与人脑》（1958）、《经典力学的算子方法》、《博弈论与经济行为》（1944）、《连续几何》（1960），如果告诉你这些书都是出自同一人之手，你会作何感想？估计大部分人会觉得，他为了评职称也太拼了吧，竟敢写这么多东西啊……
上面纯属玩笑，事实上这些著作确实都出自冯·诺依曼一人之手，但他不必担心自己的职称，三十出头就已经是普林斯顿高等研究院的六位特聘教授之一，而且是当中最年轻的一位，要知道，其中还有爱因斯坦哦。所以冯·诺依曼可不是一般的聪明绝顶，看看下面照片中的发量就知道了吧！
对他最全面的评价是：20世纪最伟大的数学家之一，在现代计算机、博弈论等领域的研究远超常人，被后世称为“计算机之父”和“博弈论之父”。怎么样，称他是科学全才，名副其实吧。接下来，我们将逐一探究他在上述各方面的杰出贡献。文章较长，按照老规矩，分为上下两部分，这篇是上半部分。
他最著名的贡献就是为现代计算机奠定了基础，他提出了计算机制造的两个基本原则，即采用二进制逻辑和计算机的存储程序工作原理，他还将计算机划分为五个部分（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这一架构被称为冯·诺依曼体系结构，直至今日的计算机仍沿用该架构，因此我们通常称他为“现代计算机之父”。下面将详细讲述这段历史。
众所周知，ENIAC计算机是世界第一台电子计算机。它于1946年2月14日在费城开始运行。但ENIAC计算机有明显的缺点：它没有存储器，而且使用布线接板进行控制，仅需要连接这些线缆就足以让一群人忙碌一整天，它的运算效率肯定不会很高。ENIAC的研究组显然很头疼，迫切希望能改进计算机的架构。
诺伊曼于1944年参与到原子弹的研制工作中，这项工作涉及极为复杂的计算（可谓是黎明前的黑暗，次年第一颗原子弹就试爆成功了）。在研究核反应进程时，需要对一个反应的传播作出“是”或“否”的回答。解决这一问题通常需要进行几十亿次的数学运算和逻辑指令。他所在的洛斯·阿拉莫斯实验室为此聘请了一百多名女计算员，用台式计算机从早计算到晚，但速度还是太慢。
冯·诺依曼偶然得知了ENIAC计算机的研制计划，就这样机缘巧合地投身到这一崇高的事业中，成就了他传奇一生中最大的丰功伟绩。
冯·诺依曼和奥本海默在第一台计算机前合影
1944年夏季的一天，诺伊曼正在火车站候车，偶遇负责ENIAC计算机研制的美国弹道实验室军方负责人戈德斯坦，并与他进行了短暂的交谈。交谈中，诺伊曼很快对这一研制计划产生了浓厚的兴趣，意识到这项工作的重大意义。
随后，冯·诺依曼经戈德斯坦中尉引荐，加入了ENIAC研究组，带领着一群富有创新精神的年轻科技人员向着更高的目标迈进。加入之后，冯·诺依曼便展示出他渊博的数理基础知识，以及探索问题和综合分析的天赋，在共同讨论的基础上，诺伊曼亲手写了一份报告——《EDVAC报告初稿》，这是一份计算机发展史上划时代的文献。
- 在这份报告中，冯·诺依曼明确指出新计算机由五个部分组成，包括：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系，系统地介绍了制造电子计算机和程序设计的思想。
- 不仅如此，冯·诺依曼还根据电子元件双稳工作的特性，建议在电子计算机中采用二进制。报告论述了二进制的优点，并预测采用二进制将极大地简化机器的逻辑电路。时间证明了诺伊曼的预言是正确的。如今，逻辑代数的应用已成为设计电子计算机的重要手段，EDVAC中采用的主要逻辑电路至今依然沿用，只是在工程方法上和逻辑电路的分析方法上进行了改进。
出于某些原因，这份报告只署名冯·诺依曼一人，这件事后来引发了许多争论，原因也是众说纷纭。其中的原委并不是本文重点，在此按下不表。但有一点是确定的，这篇报告中提出的计算机新架构被称为“冯·诺依曼体系架构”，并沿用至今！
扩展阅读1：计算机到底是谁发明的……
图灵和冯·诺依曼都是计算机领域的泰山北斗，对计算机的发展有着开创性的贡献，但究竟谁才是计算机的真正之父呢？……
一言以蔽之，图灵从理论上论证了计算机的可能性，他应该被称为计算机科学之父；而冯·诺依曼确定了现代计算机的基本架构和技术路线，他应该被称为现代计算机之父。
还有一个无法考证的传说（至少我没有找到具体出处），冯·诺依曼在谈到他的理论与构想时，谦虚地说，他的理论与构想的基础来自于英国数学家图灵和布尔的思想。虽然这个说法非常谦虚，但确实是事实。图灵在1936年发表的一篇论文《论可计算数及在密码上的应用》（On Computable Numbers， with an Application to the Entscheidungsproblem）中，严谨地描述了计算机的逻辑结构，首次提出了计算机的通用模型——“图灵机”，并
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在完成 EDVAC 计算机设计项目之后，冯诺依曼转向探索计算本身。与图灵类似，他试图建立信息处理的一般性理论，并在这一过程中开创性地且透彻地意识到生命与计算之间的联系。相比于“计算机之父”的称号，冯诺依曼对“计算”理论本身的研究和贡献可能显得不太耀眼，但我认为其意义更深远。
A) 自复制自动机
受生命繁殖的启发，冯诺依曼开始探索“自我复制”的可能性。20 世纪 40 年代末，冯·诺依曼初步解决了这一问题。他在加利福尼亚海克森研讨班上发表了一系列演讲，核心问题在于“机器如何才能自我复制”？他提出，任何可以自我复制的系统都应同时具备两个基本功能：
- 构建一个与自己组成元素和结构完全相同的下一代；
- 将对自身的描述传递给下一代。
他分别将这两个组成部分称为“通用构造器”和“描述器”。描述器又包括“通用机器”和通用机器可读取介质上保存的描述信息。显而易见，他的兴趣点和思维方式都与计算机及其具体实现相关。换言之，冯诺依曼的目标是将自我复制功能转化为一种自动化。
这样一来，只要有合适的原材料，通用构造器就可以根据描述器的指示生成下一台机器，并将描述信息传递给这台新机器。随后，新机器启动，进入下一个循环，如此往复，生生不息。
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值得注意的是，冯诺依曼在遗传物质被发现之前就做出了这些思考！几年后的1953年，沃森和克里克发现DNA 完全符合冯·诺依曼提出的两个要求。从这个角度来看，生命本身就是一台自动机。不仅如此，冯诺依曼还提出了构建能够自我复制机器的完整设计！而冯诺依曼用于研究自我复制机器的工具是：元胞自动机。
B) 元胞自动机
前文提到的冯诺依曼体系架构是一个中心化的计算系统，整个计算机系统的核心是 CPU，程序存储在存储器中由 CPU 顺序执行。相比之下，元胞自动机是一种去中心化的计算系统，通常由大量“元胞”组成，每个“元胞”的状态受其周围元胞状态的影响，并且所有元胞都遵循相同的规则来确定自身状态。
尽管规则如此简单，即使组成系统的元胞数量再多，也似乎应该毫无活力。然而事实却并非如此！元胞自动机系统可以呈现出极其复杂和丰富的整体行为，即使它们没有任何中央控制单元。如果您有兴趣了解更多信息，请参阅扩展阅读部分中的简单介绍：
扩展阅读 2：元胞自动机
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灯泡阵列：元胞自动机的一种实现，摘自《复杂》一书
上图所示的灯泡阵列可以用来理解元胞自动机的概念。每个灯有“开”和“关”两种状态，每个灯与周围的 8 个灯相连（边上的灯会认为与另一边的相连，例如最左边的灯，会认为与最右边的灯相连。这样所有灯都与 8 个灯相连）。初始阶段，部分灯开部分灯关。元胞自动机像 CPU 一样一步一步地进行计算。
每个元胞自动机都有一个规则，用于说明每个灯如何根据先前周围 8 个灯及自己的状态决定自己下一步时的状态（例如一种规则可以是：采用邻域占多数的状态。图中展示了这种规则下下一步此元胞自动机会如何变化）。
同样，我在本文的最后一部分也提到了一个简化的二维元胞自动机：生命游戏的内容。大家可以参阅扩展阅读部分，此处不再赘述。
冯诺依曼证明了他的元胞自动机等价于通用图灵机，这意味着元胞自动机同样具有通用计算的能力！它是一种与冯诺依曼架构完全不同的另一种计算机！计算机架构分为“冯诺依曼”架构和“非冯诺依曼”架构，结果“非冯诺依曼”架构中最重要的一种是由冯诺依曼提出的……计算机尊称他为父亲，实至名归吧。
由于冯诺依曼对计算和计算机的贡献实在太耀眼，与本主题相关，因此我将其包含在本篇中。在下一篇文章中，我将与大家讨论冯诺依曼在其他领域的成就，它们同样光芒四射。
