Das Werk von John von Neumann

John von Neumann

John von Neumann wurde am 28. Dezember 1903 in Budapest als Sohn einer wohlhabenden, in den ungarischen Adelsstand erhobenen Bankiersfamilie geboren. Schon in jungen Jahren zeigte er großen Intellekt und wurde als Wunderkind bezeichnet. Im Alter von 6 Jahren konnte von Neumann Altgriechisch sprechen und ein Paar 8-stelliger Zahlen im Kopf dividieren, und mit 8 hatte er Differential- und Integralrechnung gelernt. Als von Neumann 15 Jahre alt war, arrangierte sein Vater Gábor Szegő als Privatlehrer für Mathematik. Bei ihrer ersten Unterrichtsstunde war der berühmte Mathematiker Szegő zu Tränen gerührt, als er die Geschwindigkeit und das Können des jungen von Neumann . beobachtete. Neben diesen unglaublichen Leistungen hatte von Neumann ein fotografisches Gedächtnis und konnte ganze Romane wortwörtlich aufsagen rec.

Von Neumann absolvierte ein zweijähriges Zertifikat in Chemie an der Universität Berlin und promovierte in Mathematik an der Pázmány Péter University. Nach seiner Promotion ging von Neumann an die Universität Göttingen, um bei David Hilbert zu studieren, einem bedeutenden Mathematiker, der mit seiner Arbeit an der Entwicklung des Computers beteiligt war. Danach ging von Neumann an die Princeton University, um eine Anstellung auf Lebenszeit an das Institute of Advanced Study anzunehmen. Sein Büro war mehrere Türen von Albert Einsteins Büro entfernt, und Einstein beschwerte sich, dass von Neumann auf seinem Bürophonographen zu laut deutsche Marschmusik spielte.

Während seiner Zeit in Princeton wurde von Neumann in das Manhattan-Projekt geholt. Er unternahm viele Reisen zum Los Alamos Laboratory, um die Entwicklung von Atomwaffen zu überwachen, und er war in vielen Phasen des Designs und des Baus der beiden Atomwaffen, die auf Japan abgeworfen wurden, von entscheidender Bedeutung. Er war Augenzeuge des ersten Atombombentests am 16. Juli 1945 und gehörte dem Komitee an, das mit der Entscheidung beauftragt war, welche zwei japanischen Städte Ziel der Bombe sein sollten. Für seine Beteiligung am Manhattan-Projekt wurde von Neumann vielleicht die größte Inspiration für die Figur Dr. Seltsame Liebe in Stanley Kubricks gleichnamigem Film.

DR. Merkwürdige Liebe

Ungefähr zu der Zeit, in der er an der Atombombe arbeitete, begann von Neumann, an Ideen zu arbeiten, die die Grundlage der Informatik bilden sollten. Von Neumann hatte sich vor Jahren mit Alan Turing getroffen, und Berichten zufolge wurde von Neumann von Turings Aufsatz „On Computable Numbers“ beeinflusst.” Sicherlich war von Neumann aufgrund seiner früheren Arbeit mit Hilbert in einer hervorragenden Position, die Bedeutung von Turings Werk zu erkennen.

1945, in der Endphase seiner Arbeit am Manhattan-Projekt, erzählte von Neumann Freunden und Kollegen, dass er über noch konsequentere Arbeit nachdachte. In einem Zug nach Los Alamos schrieb von Neumann ein Dokument mit dem Titel „Erster Entwurf eines Berichts über die EDVAC“. Dieses 101-seitige Dokument enthält den Entwurf der von Neumann-Architektur, die seit ihrer Einführung das vorherrschende Paradigma in der Computerarchitektur geblieben ist. Die von Neumann-Architektur wird typischerweise mit dem Konzept eines speicherprogrammierten Computers in Verbindung gebracht, umfasst jedoch auch ein vierteiliges Konstruktionsdesign, das sich von anderen speicherprogrammierten Konzepten unterscheidet.

Am wichtigsten ist, dass die von Neumann-Architektur ein Computer mit gespeicherten Programmen ist. Computer mit gespeicherten Programmen verwenden eine Speichereinheit, um sowohl die Computerprogramme als auch die Daten zu speichern, die die Computerprogramme als Eingabe verwenden. Das Design mit gespeicherten Programmen steht in der Regel im Gegensatz zur Harvard-Architektur, die separate Speichereinheiten verwendet, um das Computerprogramm und die Daten des Programms zu speichern.

Die Idee einer Stored-Program-Architektur wurde stillschweigend von Turings Arbeit an universellen Turing-Maschinen vorgeschlagen, da diese Maschinen theoretische Versionen von Stored-Program-Computern sind. Von Neumann erkannte jedoch den Wert, diese Eigenschaft explizit in Computern zu entwickeln. Die alternativen Methoden zur Programmierung von Computern erforderten eine manuelle Verdrahtung oder Neuverdrahtung der Computerschaltkreise, ein Prozess, der so arbeitsintensiv war, dass Computer oft für eine Funktion gebaut und nie neu programmiert wurden re. Mit dem neuen Design wurden Computer leicht umprogrammierbar und in der Lage, viele verschiedene Programme zu implementieren; Allerdings mussten Zugriffskontrollen aktiviert werden, um zu verhindern, dass bestimmte Arten von Programmen wie Viren wichtige Software wie das Betriebssystem neu programmieren.

Die bekannteste Designeinschränkung der von Neumann-Architektur wird als „von Neumann-Engpass“ bezeichnet. Der von Neumann-Engpass wird durch die Stored-Program-Architektur verursacht, da Daten und Programm denselben Bus zur Zentraleinheit teilen. Die Übertragung von Informationen vom Speicher zur CPU ist in der Regel viel langsamer als die tatsächliche Verarbeitung in der CPU. Das von Neumann-Design erhöht den erforderlichen Informationstransfer, da sowohl das Computerprogramm als auch die Programmdaten an die CPU übertragen werden müssen. Eine der besten Methoden zur Behebung dieses Problems war die Verwendung von CPU-Caches. CPU-Caches dienen als Vermittler zwischen Hauptspeicher und CPU. Diese CPU-Caches bieten kleine Mengen an schnell zugänglichem Speicher in der Nähe des Prozessorkerns.

Die von Neumann-Architektur besteht aus vier Teilen: der Steuereinheit, der Verarbeitungseinheit (einschließlich der Arithmetik- und Logikeinheit (ALU)), der Speichereinheit und den Ein-/Ausgabemechanismen. Die Ein-/Ausgabemechanismen umfassen die mit Computern verbundenen Standardgeräte, einschließlich Tastaturen als Eingaben und Bildschirme als Ausgaben. Die Eingabemechanismen schreiben in die Memory Unit, die die Computerprogramme und die Programmdaten speichert. Die Steuereinheit und die Verarbeitungseinheit umfassen den Zentralprozessor. Die Steuereinheit leitet die zentrale Verarbeitung gemäß den erhaltenen Anweisungen. Die Verarbeitungseinheit enthält eine ALU, die eine grundlegende Arithmetik oder bitweise Operationen an einer Bitfolge durchführt. Die ALU kann viele verschiedene Funktionen ausführen; Daher ist es die Funktion der Steuereinheit, die ALU so zu steuern, dass sie die richtige Funktion an der richtigen Saite ausführt.

Die von Neumann Architektur

Nach ihrer Einführung wurde die von Neumann-Architektur zur Standard-Computerarchitektur, und die Harvard-Architektur wurde auf Mikrocontroller und Signalverarbeitung reduziert. Die von Neumann-Architektur wird heute noch verwendet, aber neuere und kompliziertere Designs, die von der von Neumann-Architektur inspiriert wurden, haben die ursprüngliche Architektur in Bezug auf Popularität in den Schatten gestellt.