Phenquestions
John von Neumann
John von Neumann rođen je u Budimpešti 28. prosinca 1903. u bogatoj bankarskoj obitelji koja je uzdignuta do mađarskog plemstva. Od malena je pokazivao sjajan intelekt i bio je etiketiran kao čudo. Do 6. godine von Neumann je mogao govoriti starogrčki i dijeliti mu 8-znamenkasti broj u glavi, a do 8 je naučio diferencijalni i integralni račun. Kad je von Neumann imao 15 godina, njegov je otac dogovorio da Gábor Szegő bude njegov privatni učitelj matematike. Na njihovoj prvoj lekciji slavni matematičar Szegő doveden je do suza nakon što je promatrao brzinu i sposobnost mladog von Neumanna. Uz ove nevjerojatne podvige, von Neumann je imao i fotografsko pamćenje te je mogao recitirati čitave romane od riječi do riječi.
Von Neumann završio je dvogodišnji certifikat iz kemije na Sveučilištu u Berlinu i doktorat iz matematike na Sveučilištu Pázmány Péter. Po završetku doktorata, von Neumann je otišao na Sveučilište u Göttingenu kako bi studirao kod Davida Hilberta, jednog od važnih matematičara čiji je rad pomogao u razvoju računala. Nakon toga, von Neumann je otišao na Sveučilište Princeton kako bi prihvatio doživotno imenovanje na Institut za napredne studije. Njegov je ured bio nekoliko vrata udaljen od ureda Alberta Einsteina, a Einstein se požalio da je von Neumann preglasno puštao njemačku marševsku glazbu na svom uredskom fonografu.
Dok je bio na Princetonu, von Neumann je doveden da radi na projektu Manhattan. Mnogo je putovao u laboratorij Los Alamos kako bi nadzirao razvoj atomskog oružja i bio je presudan u mnogim fazama dizajna i konstrukcije dva nuklearna oružja bačena na Japan. Bio je očevidac prvog ispitivanja atomske bombe 16. srpnja 1945. godine, a bio je član odbora zaduženog za odlučivanje koja će dva japanska grada biti meta za bombu. Za svoje sudjelovanje u projektu Manhattan, von Neumann je postao možda najveća inspiracija za lik Dr. Čudna ljubav u istoimenom filmu Stanleyja Kubricka.
Dr. Čudna ljubav
Otprilike u vrijeme dok je radio na atomskoj bombi, von Neumann je počeo raditi na idejama koje bi bile osnova računalne znanosti. Von Neumann susreo se s Alanom Turingom godinama ranije, a izvještaji sugeriraju da je von Neumann bio pod utjecajem Turingova rada “O izračunatim brojevima.”Svakako, zbog svog prethodnog rada s Hilbertom, von Neumann je bio u sjajnoj poziciji da prepozna značaj Turingova djela.
1945., dok je u završnoj fazi svog rada na projektu Manhattan, von Neumann rekao prijateljima i kolegama da razmišlja o još posljedičnijim radovima. Dok je vozio vlak za Los Alamos, von Neumann je napisao dokument pod nazivom "Prvi nacrt izvještaja o EDVAC-u". Ovaj dokument na 101 stranici sadrži dizajn von Neumannove arhitekture, koja je ostala dominantna paradigma u računalnoj arhitekturi od svog uvođenja. Von Neumannova arhitektura tipično je povezana s računalnim konceptom pohranjenog programa, ali također uključuje četverodijelni dizajnirani dizajn koji se razlikuje od ostalih koncepata pohranjenog programa.
Što je najvažnije, von Neumannova arhitektura je računalo s pohranjenim programom. Računala s pohranjenim programom koriste jednu memorijsku jedinicu za pohranu i računalnih programa i podataka koje računalni programi uzimaju kao ulaz. Dizajn pohranjenog programa je u suprotnosti s arhitekturom Harvarda, koja koristi odvojene memorijske jedinice za pohranu računalnog programa i podataka programa.
Ideju o arhitekturi pohranjenog programa prešutno je predložio Turingov rad na univerzalnim Turingovim strojevima, jer su ti strojevi teoretska inačica računala s pohranjenim programom. Međutim, von Neumann je prepoznao vrijednost eksplicitnog inženjerstva ovog svojstva u računalima. Alternativne metode programiranja računala zahtijevale su ručno ožičenje ili ponovno spajanje sklopova računala, postupak koji je bio toliko radno zahtjevan da su računala često bila izgrađena za jednu funkciju i nikada nisu reprogramirana. Novim dizajnom računala su se lako mogla programirati i moći implementirati mnogo različitih programa; međutim, morale su biti omogućene kontrole pristupa kako bi se spriječilo da određene vrste programa poput virusa reprogramiraju ključni softver poput operativnog sustava.
Najpoznatije dizajnersko ograničenje von Neumannove arhitekture naziva se 'von Neumannovo usko grlo'. Von Neumannovo usko grlo uzrokovano je arhitekturom pohranjenog programa, jer podaci i program dijele istu magistralu do središnje procesorske jedinice. Prijenos podataka iz memorije na CPU obično je puno sporiji od stvarne obrade u CPU. Von Neumannov dizajn povećava količinu potrebnog prijenosa informacija jer i računalni program i podaci programa trebaju biti preneseni na CPU. Jedna od najboljih metoda za poboljšanje ovog problema bila je upotreba CPU predmemorije. CPU predmemorije služe kao posrednici između glavne memorije i CPU-a. Ove CPU predmemorije pružaju male količine brzo dostupne memorije u blizini jezgre procesora.
Von Neumannova arhitektura sastoji se od četiri dijela: upravljačke jedinice, procesorske jedinice (uključujući aritmetičku i logičku jedinicu (ALU)), memorijske jedinice i ulazno / izlaznih mehanizama. Ulazno-izlazni mehanizmi uključuju standardne uređaje povezane s računalima, uključujući tipkovnice kao ulaze i zaslone zaslona kao izlaze. Ulazni mehanizmi upisuju u memorijsku jedinicu koja pohranjuje računalne programe i podatke programa. Upravljačka jedinica i procesorska jedinica čine središnji procesor. Upravljačka jedinica usmjerava centralnu obradu prema uputama koje primi. Procesorska jedinica sadrži ALU koji izvodi osnovne aritmetičke ili bitovne operacije na nizu bitova. ALU može obavljati mnogo različitih funkcija; stoga je funkcija upravljačke jedinice usmjeravanje ALU-a tako da izvršava ispravnu funkciju na ispravnom nizu.
Von Neumannova arhitektura
Nakon uvođenja, von Neumannova arhitektura postala je standardna računalna arhitektura, a arhitektura Harvarda prebačena je na mikrokontrolere i obradu signala. Von Neumannova arhitektura i danas se koristi, ali noviji i složeniji dizajni nadahnuti von Neumannovom arhitekturom pomračili su izvornu arhitekturu u smislu popularnosti.
