hyväksymispäivä arvosana
arvostelija
John von Neumann
Merja Laurasvaara
Helsinki 30. tammikuuta 2003
Tietojenkäsittelytieteen historia –seminaari
HELSINGIN YLIOPISTO
Tietojenkäsittelytieteen laitos
Sisältö
6. Elämäntyö tietokoneiden parissa
6.2. Von Neumann -arkkitehtuuri
LIITE: Von Neumannin saavutukset
Kuva 1: John von Neumann. [OCO98]
John von Neumann oli loistava matemaatikko. Hän sovelsi matemaattisia taitojansa useilla eri alueilla, joita olivat teoreettinen fysiikka, sovellettu fysiikka, päätösteoria, meteorologia, biologia, taloustiede ja sotilaallinen toiminta. Von Neumann kehitti yhteistyössä EDVAC-tietokonetta suunnitelleen työryhmän kanssa arkkitehtuurin, jota kutsutaan von Neumann –arkkitehtuuriksi. Von Neumannin kirjoitti vuonna 1945 raporttiluonnoksen tästä arkkitehtuurista, joka on käytössä vielä tänäänkin.
John Louis von Neumann syntyi 28.12.1903 Budapestissa Unkarissa. Hän oli vanhin perheen kolmesta pojasta. Von Neumannin perhe oli juutalainen. Perheen isä Max Neumann oli ammatiltaan pankkiiri. Johnin oikea nimi oli János, mutta lapsena häntä kutsuttiin nimellä Jancsi. Yhdysvalloissa asuessaan hänen etunimensä muuttui amerikkalaiseen muotoon Johnny. Johnin isä Max sai arvonimen "von" 1913, mutta ei koskaan itse ottanut tätä arvonimeä käyttöönsä.
John von Neumann oli poikkeuksellisen älykäs lapsi. Esimerkiksi kuuden vanhana hän osasi jo jakaa 8-numeroisia lukuja päässään. Hänen muistinsa oli jo lapsena uskomaton:
"Kuuden vuoden iässä hän pystyi isänsä kanssa kertomaan vitsejä klassisella kreikan kielellä. Neumannin perhe viihdytti vieraitaan esittelemällä Johnin kykyä muistaa puhelinluetteloissa olleita tekstejä. Vieras sai valita sattumanvaraisesti puhelinluettelon sivun ja palstan. Nuori John luki palstan muutaman kerran ja palautti kirjan vieraalle. Tämän jälkeen hän osasi kertoa kysyjälle kenen numero oli kyseessä sekä luetella nimet, osoitteet ja numerot oikeassa järjestyksessä." [OCO98]
Von Neumann opiskeli vuosina 1911-1916 Luterilaisessa koulussa Budapestissa. Jo tuolloin opettajat huomasivat hänen matemaattisen kyvykkyytensä. Kymmenen vuoden vanhana Johnille palkattiin yksityisopettaja, koska opettajat olivat saaneet Max Neumannin vakuuttuneeksi poikansa erityisestä tukemisen arvoisesta lahjakkuudesta.
Vuonna 1919 Unkariin tuli kommunistinen hallitus, jonka seurauksena valtio otti kaikki pankit haltuunsa. Tämä puolestaan johti siihen, että Neumannin perhe joutui muuttamaan neljäksi kuukaudeksi Venetsiaan. On sanottu, että tämän tapahtuman seurauksena von Neumannista tuli loppuelämäkseen kommunismin vastustaja. [SLA87, s 24]
Vuonna 1921 von Neumann pääsi opiskelemaan kemiaa ja matematiikkaa Budapestin yliopistoon. Tuolloin juutalaisilla opiskelijoilla oli vaikea päästä yliopistoon. John von Neumannille opiskelemaan pääsy ei kuitenkaan tuottanut ongelmaa. Hän saavutti tuloksia matematiikan opinnoissaan vaikkei edes osallistunut opetukseen. Samana vuonna hän pääsi myös opiskelemaan kemiaa Berliinin yliopistoon. Berliinissä hän opiskeli vuoteen 1923 asti, jonka jälkeen hän siirtyi opiskelemaan Zürichiin. Hän sai kemian insinöörin diplomin Zurichissa vuonna 1925. Vuonna 1926 von Neumann sai matematiikan tohtorin arvon Budapestin yliopistosta aiheenaan joukko-oppi.
Ensimmäisen matemaattisen kirjoitelmansa von Neumann teki vuonna 1921 yhdessä Budapestin yliopiston assistentin Feketen kanssa. Tämä teos julkaistiin vuonna 1922. Johnin isä Max ei pitänyt poikansa matematiikan ainevalinnasta, koska se ei hänen mielestään tuonut riittävästi varallisuutta Johnille. Max Neumann pyysikin ystäväänsä Kármámia suostuttelemaan poikaansa liike-elämään. Suostuttelu ei johtanut haluttuun lopputulokseen, mutta Johnin valinta opiskella kemiaa tyydytti kuitenkin kaikkia osapuolia. [OCO98]
John von Neumann toimi luennoitsijana Berliinin yliopistossa 1926-1929 ja Hampurissa 1929-1930. Puolivälissä kolmeakymmentä ikävuottaan von Neumann oli jo maailmanlaajuisesti kuuluisa matemaattisissa piireissä. Häntä pidettiin jo tuolloin nerona. Vuonna 1930 hänet kutsuttiin Yhdysvaltoihin Princetonin yliopistoon (the Institute of Advanced Study, IAS) luennoimaan kvanttiteoriasta. Vuonna 1931 hänet nimitettiin professoriksi. Princetonissa hän toimi luennoitsijana vuoteen 1933 asti, mutta luennointi ei kuitenkaan ollut hänen vahvimpia puoliaan. Von Neumannin ’nopea järjenjuoksu’ oli liian vaikea seurattava keskinkertaisille opiskelijoille. Hän oli kuuluisa siitä, että hän kirjoitti yhtälöitä taululle ja pyyhki ne pois ennen kuin opiskelijat ehtivät niitä kopioida.
Von Neumann kirjoitti kaikkiaan noin 150 julkaisua ja lehtiartikkelia. Hänen tunnetuin saavutuksensa oli kirja nimeltään Theory of Games and Economics Behavior (1944). Tämä kirja oli tehty yhteistyössä Oskar Morgensternin kanssa, joka oli von Neumannin työtoveri. Kirja esitteli matemaattisin menetelmin syntyneen peliteorian, jonka avulla tutkittiin kilpailua ja monimutkaisia taloustieteellisiä ongelmia.
Toisen maailmansodan aikana 1940-luvulla von Neumannin asiantuntemusta käytettiin hydrodynamiikassa, ballistiikassa, meteorologiassa, peliteoriassa ja tilastotieteessä. Von Neumann työskenteli konsulttina monissa erilaisissa Yhdysvaltain hallituksen projekteissa. Eräs kuuluisimmista projekteista oli ns.Manhattan-projekti, jossa hän oli mukana rakentamassa atomi- ja vetypommeja. Hänen tehtävänään oli ’valvoa’ monimutkaisia matemaattisia laskelmia, joita tehtiin käsin ja tietokoneilla. [PAA99]. Hän toimi Princetonin yliopiston professorina kuolemaansa (1957) asti.
John von Neumann sai elämänsä aikana mittavan määrän kunnianosoituksia ja palkintoja (Liite).
Von Neumann oli ulkomuodoltaan pieni ja tukeva mies, hänen kasvonsa olivat ovaalin muotoiset ja otsa oli korkea. Vaikka hänen englannin kielensä oli nopeaa ja sujuvaa, oli puheesta kuitenkin havaittavissa lievä vieras korostus. Hänen sanottiin olleen verbaalinen työnarkomaani. Pukeutumisestaan von Neumann oli hyvin tarkka; hän käytti usein liivejä ja hänellä oli nenäliina napitetun takin rintataskussa. Von Neumann rakasti teknisiä laitteita. Hän oli railakas ajaja, joka kerran vuodessa kolaroi autonsa. Hän oli tyypillinen hajamielinen professori, joka rakasti ruokaa ja tarinoiden kertomista. Siitä huolimatta, että von Neumann oli huippumatemaatikko, osasi hän nauttia myös elämästä ja järjestää mieleenpainuvia juhlia.
Von Neumann oli erittäin taitava hallinnollisissa ja johtajuutta vaativissa rooleissa. Hän painotti kirjoitettujen raporttien merkitystä. Lisäksi hän osasi delegoida johtajuutta ja vastuuta sekä yritti aina ratkaista kaikki pääongelmat yhteisesti siten, että hän kutsui yhteen erilaisia mielipiteitä omaavia ryhmiä.
Ensimmäisen kerran von Neumann avioitui vuonna 1930 Marietta Kovesin kanssa. Tästä avioliitosta hän sai vuonna 1935 Marina-nimisen tyttären. Ensimmäinen avioliitto päättyi eroon vuonna 1937. Samana vuona von Neumann sai USA:n kansalaisuuden. Vuonna 1938 von Neumann avioitui toisen kerran. Hänen vaimonsa nimi oli Klára Dán. Avioliitto oli lapseton.
[SLA87, s 25]
6.1. ENIAC-tietokone
Ei ole varsinaisesti tiedossa milloin von Neumann kiinnostui tietokoneiden kehittämisestä. Kuitenkin toisen maailmansodan aikana hän huomasi, että käytössä olleet reikäkorttilaitteet olivat hitaita ja tehottomia. Niinpä von Neumann kiinnostui kehittyneemmästä tietokoneen avulla tapahtuvasta laskennasta. Elokuussa vuonna 1944 perehtyi ENIAC-suunnitelmiin. Hän oli mukana John Mauchlyn (1907-1980) ja J. Presper Eckertin (1919-1995) ENIAC-projektissa (Electronic Numerical Integrator and Computer, the Moore School).
ENIAC-tietokoneessa käytettiin kymmenjärjestelmän lukuja ja koneessa oli valtava määrä kytkimiä. Tietojen syöttö ja tulostus tapahtui reikäkorteilla. Tämän tietokoneen suurin ongelma oli komponenttien hajoaminen: Kone, joka oli käytössä the Ballistic Research Laboratoryssa, toimi vain 50% ajasta. Kone valmistui kokonaan vuonna 1946 kolme kuukautta toisen maailmansodan sodan päättymisen jälkeen. Von Neumannin tehtävänä oli tarkkailla koneen testausta.
Kuva 2: Kaksi naista langoittamassa ENIAC-konetta uutta ohjelmaa varten. [WIL96]
Von Neumann jätti kuitenkin tämän projektin, koska Eckert ja Mauchly halusivat tietokoneestaan taloudellista hyötyä. Hän sai suostuteltua IAS:n (Institute for Advanced Study) johtokunnan jäsenet rahoittamaan hänen EDVAC- tietokoneensa (Electronic Discrete Variable Computer) rakentamista.
6.2 Von Neumann -arkkitehtuuri
Vuoden 1945 kesäkuussa von Neumann kirjoitti ensimmäisen 101-sivuisen luonnoksen aiheesta "First Draft of a Report on the EDVAC". Raporttiin von Neumann oli kerännyt Moore Schoolin ryhmän ajatuksia uuden tietokoneen logiikasta ja kokoonpanosta. Hän käytti koneesta termiä "very high speed automatic digital computer". Herman Goldstine levitti kopioita von Neumannin raportista More Schoolin lisäksi myös amerikkalaisille ja brittiläisille tiedemiehille. Mauchly ja Eckert olivat raivoissaan, koska Goldstine oli levittänyt raporttia niin laajasti. Lisäksi Mauchly ja Eckert olivat tuohtuneita siitä, ettei von Neumannin papereissa annettu arvostusta muulle Moore Schoolin työryhmälle. Eckert oli kirjoittanut muistion tietokoneesta, jonka ohjelma oli muistissa ("stored-program computer") jo kuusi kuukautta aiemmin kuin von Neumann sai tietää Moore Schoolin projektista. Maaliskuussa 1946 Goldstine ja von Neumann hakivat patenttia EDVAC:lle perustellen vaatimustansa raporttiin "First Draft". Patentti evättiin kuitenkin kaikkien tyrmistykseksi, koska julkaisusta oli kulunut jo yli vuosi.
Nykyaikaisen tietokoneen rakenteeseen vaikutti suuresti perusarkkitehtuuri, joka syntyi ryhmätyönä EDVAC- tietokonetta suunniteltaessa. Laitteisto muunsi muistin sisältöä suorittamalla konekäskyjä (konekielinen ohjelma). Von Neumann selkeytti ratkaisut niihin perusperiaatteisiin, jotka tunnetaan nykyisin von Neumann -arkkitehtuurina. Tiivistettynä von Neumann -arkkitehtuuri jakautuu seuraaviin komponentteihin:
Von Neumann ei ollut ensimmäinen, joka rakensi EDVAC-tyyppisen koneen. EDSAC- kone (Electronic Delay Storage Calculator) oli maailman ensimmäinen EDVAC-arkkitehtuuria (von Neumann arkkitehtuuri) noudattanut tietokone, jonka kehitti toukokuussa vuonna 1946 Maurice Wilkes Cambridgen yliopistosta. EDVAC- tietokone saatiin valmiiksi vuonna 1949, mutta käyttökuntoon se saatiin vasta vuonna 1952. EDVAC-tietokone oli käytössä aina vuoteen 1962 asti. EDVAC-tietokoneessa käytettiin binäärijärjestelmän lukuja ja siinä oli laitteiston käsittelemä tieto sekä ohjelma tallennettuna samaan muistiin.
Kuva 2: John von Neumann EDVAC- tietokoneen kanssa [OCO98]
Taulukossa 1 on esitetty EDVAC-tietokoneen teknisiä tietoja:
Hinta |
$467.000 |
Virrankulutus |
52 kW |
Pinta-alavaatimus |
45 m2 |
Paino |
7.847 kg |
Diodit |
12.000 |
Tyhjiöputket |
5.937 |
Transistoreja |
328 |
Yhteenlasku |
0,86 ms |
Vähennyslasku |
0,86 ms |
Vertailu |
0,70 ms |
Kertolasku |
2,93 ms |
Jakolasku |
2,93 ms |
Ulkoinen muisti |
IBM reikäkortit, magneettinauha |
Taulukko 1: EDVAC-tietokoneen teknisiä tietoja. [STE80, s 94-95]
Toisen maailmansodan jälkeen von Neumann sai useita työtarjouksia arvostetuista akateemisista tehtävistä. Esimerkiksi Univercity of Chicago suunnitteli perustavansa sovelletun matematiikan instituutin, jonka johtajaksi he kaavailivat von Neumannia. Von Neumann pysyi kuitenkin uskollisesti Princetonissa kuolemaansa asti, koska se oli hänen mielestään paras paikka rakentaa omaa tietokonetta.
1950-luvulla von Neumann työskenteli myös konsulttina IBM:llä teknologia-projekteissa. Vuonna 1954 von Neumann joutui ensimmäisen kerran tekemisiin Fortran-konseptin kanssa; John Backus muisti, ettei von Neumann ollut kovin innostunut tästä asiasta ja von Neumann olikin kysynyt "Miksi haluaisitte enemmän kuin konekielen?" [Lee94]. Kun von Neumann sai selville, että Donald Gillies käytti aikaansa kehittääkseen konekielen kääntäjää (assembler), sanoi hän "On arvokkaan tieteellisen laskentavälineen hukkaa käyttää sitä toimistotöihin." [Lee94].
John von Neumann kuoli 6. päivä helmikuuta vuonna 1957 luusyöpään Washingtonissa. Hänen epäiltiin saaneen syövän osallistumisestaan ydinasetesteihin. Von Neumannin kuolema oli traaginen, sillä hän kärsi suunnattomasti siitä, että hänen järkensä ei toiminut yhtä luotettavasti kuin aiemmin. Von Neumann koki täydellisen luhistumisen. "John von Neumann, joka tiesi kuinka elää täysillä, ei tiennyt kuinka kuolla." [OCO98]
Von Neumann oli loistava matemaatikko, joka sai paljon kunnianosoituksia saavutuksistaan. Von Neumannin IAS-projektissa kehittämä von Neumann –arkkitehtuuri oli hänen tärkeimpiä aikaansaannoksiaan. Tämä arkkitehtuuri on myös nykyisten tietokoneiden standardiarkkitehtuuri. Von Neumann oli myös henkilö, joka kehitti menetelmän, jolla atomipommi saatiin räjäytettyä.
KOI02 Koikkalainen, P., Tietotekniikan perusteet –kurssimateriaali, Jyväskylän yliopisto (2002),
http://erin.mit.jyu.fi/pako/kurssit/perusteet/kirja/node33.html [31.12.2002]
LEE94 Lee, J. A. N., John Louis von Neumann, Virginia Tech/Norfolk State University (1994),
http://ei.cs.vt.edu/~history/VonNeumann.html [31.12.2002]
OCO98 O’Connor, J.J., Robertson, E.F., John von Neumann, University of St Andrews ,
http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Von_Neumann.html [31.12.2002]
PAA99 Paavola, J., John von Neumann, Kalamazoo College,
http://cc.kzoo.edu/~k98jp01/johnvonneumann.html [31.12.2002]
SLA87 Slater, Robert, Portraits in Silicon. MIT Press, 1987
STE80 Stern, Nancy, From ENIAC to UNIVAC, Digital Press, 1980
WIL96 William T. Moye , http://ftp.arl.army.mil/~mike/comphist/ [18.01.2003]
ADA00 Adamsson, H., Have US computer pioneers such as John von Neumann and Grace Hopper falsely overshadowed their British
counterparts? University of St Andrews ,
(http://members.lycos.co.uk/spods/hist/pioneers.html#von%20neumann [31.12.2002]
ORP98 Orponen, P.,Tietotekniikan perusteet –kurssimoniste, Jyväskylän yliopisto (1998),
http://www.math.jyu.fi/~orponen/opetus/ttp/981006/luento/sld004.htm [31.12.2002]
LIITE
Von Neumannin saavutukset
Koulutus:
University of Budapest, 1921; University of Berlin, 1921-23; Chemical Engineering, Eidgenössische Technische Hochschule [ETH] (Swiss Federal Institute of Technology), 1923-25; Doctorate, Mathematics (with minors in experimental physics and chemistry), University of Budapest, 1926; Prof.
Saavutukset ja kunnianosoitukset:
Privatdozent, University of Berlin, 1927-30; Visiting Professor, Princeton University, 1930-53; Professor of Mathematics, Institute for Advanced Study, Princeton University, 1933-57; Honors and Awards: D.Sc. (Hon), Princeton University, 1947; Medal for Merit (Presidential Award), 1947; Distinguished Civilian Service Award, 1947; D.Sc. (Hon), University of Pennsylvania, 1950; D.Sc. (Hon), Harvard University, 1950; D.Sc. (Hon), University of Istanbul, 1952; D.Sc. (Hon), Case Institute of Technology, 1952; D.Sc. (Hon), University of Maryland, 1952; D.Sc. (Hon), Institute of Polytechnics, Munich, 1953; Medal of Freedom (Presidential Award), 1956; Albert Einstein Commemorative Award, 1956; Enrico Fermi Award, 1956; Member, American Academy of Arts and Sciences; Member, Academiz Nacional de Ciencias Exactas, Lima, Peru; Member, Acamedia Nazionale dei Lincei, Rome, Italy; Member, National Academy of Sciences; Member, Royal Netherlands Academy of Sciences and Letters, Amsterdam, Netherlands; Member, Information Processing Hall of Fame, Infomart, Dallas TX, 1985.