Вычислительная машина и мозг - Джон фон Нейман

микроконтроллера стиральных машин до самых больших суперкомпьютеров. Это третья ключевая идея информационной эры. В статье «Первый проект отчета о EDVAC»,[1] датированной 30 июня 1945 года, фон Нейман изложил революционные принципы в области машинных вычислений. Модель фон Неймана состоит из центрального процессора, в котором выполняются арифметические и логические операции, блока памяти, в котором хранятся программа и данные, устройства массовой памяти, счетчика команд и каналов ввода-вывода. Данная концепция описана в первой части этой книги. Хотя статья фон Неймана, по сути, представляла собой внутренний проектный документ, она не только стала библией для конструкторов вычислительных машин 1940-х и 1950-х годов, но и значимо повлияла на архитектуру всех компьютеров, построенных с тех пор.

Машина Тьюринга не была рассчитана на практическое применение. Теоремы Тьюринга не имели никакого отношения к эффективности решения задач; они лишь позволяли определить круг тех задач, которые могли быть решены посредством машинных вычислений. Фон Нейман, наоборот, ставил своей целью формулирование практических принципов вычислительной машины. Так, в машине фон Неймана однобитовые вычисления Тьюринга заменены многобитовыми словами (как правило, количество битов кратно восьми). Если машина Тьюринга тратит огромное количество времени на перемещение ленты вперед и назад, чтобы сохранять и извлекать промежуточные результаты, то машина фон Неймана, напротив, снабжена памятью с произвольным доступом, поэтому любой элемент данных может быть извлечен немедленно.

Одним из важнейших принципов, предложенных фон Нейманом, является принцип хранимой программы, который он сформулировал десятью годами ранее: программа хранится в той же памяти, что и данные. Это позволяет перепрограммировать вычислительную машину для выполнения различного рода задач, а также использовать самомодифицирующийся код, допускающий применение некоторых форм рекурсии. До того времени практически все вычислительные машины, включая «Колосс» Тьюринга, могли решать только те задачи, для решения которых были предназначены изначально. Хранимая программа придала вычислительной машине поистине универсальный характер. Так, идея Тьюринга об универсальной машине получила реальное воплощение.

Другой ключевой принцип фон Неймана заключается в том, что каждая инструкция должна содержать код арифметической или логической операции, которую необходимо выполнить, а также адрес операнда в памяти. Данная формула впервые была предложена фон Нейманом в рамках его публикации, посвященной совместному с Дж. Преспером Эккертом и Джоном Мокли проекту EDVAC. Сам EDVAC был запущен только в 1951 году; к тому времени уже существовали другие вычислительные машины с хранимыми программами, в частности Манчестерская малая экспериментальная машина, ENIAC,[2] EDVAC[3] и BINAC.[4] Все они были созданы под влиянием работ фон Неймана теми же конструкторами: Эккертом и Мокли. Фон Нейман принял непосредственное участие в проектировании ряда этих машин, включая более позднюю версию ENIAC, которая поддерживала хранимую программу.

Можно назвать несколько предшественников архитектуры фон Неймана, однако ни один из них не являлся истинной машиной фон Неймана, за одним неожиданным исключением. «Марк I» Говарда Эйкена, построенный в 1944 году, имел элемент программируемости, но не использовал хранимую программу. Эта вычислительная машина считывала инструкции с перфорированной бумажной ленты, а затем выполняла каждую команду отдельно. Поскольку ветвления в программе отсутствовали, ее нельзя рассматривать как пример архитектуры фон Неймана.

Еще до «Марка I», в 1941 году, Конрадом Цузе была создана вычислительная машина Z3. Она тоже считывала программу с ленты (точнее, с перфорированной кинопленки) и не могла совершать условные переходы. Интересно, что Цузе получил поддержку от немецкого Научно-исследовательского института авиации, который использовал Z3 для своих расчетов, однако его просьба о государственном финансировании замены реле на электронные трубки была отклонена. Нацисты считали, что машинные вычисления «не помогут выиграть войну».

Единственный истинный предшественник концепции фон Неймана появился на целых 100 лет раньше. В аналитической машине Чарльза Бэббиджа, описанной им впервые в 1837 году, идея хранимой программы реализована с помощью перфорированных карт, заимствованных из ткацкого станка Жаккара. Память с произвольным доступом была рассчитана на одну тысячу слов по 50 десятичных цифр каждое (около 21 килобайта). Инструкции не только содержали код операции и номер операнда, как и все современные языки программирования, но и включали ветвление и циклы. Это значит, что описанное Бэббиджем представляло собой настоящую машину фон Неймана. Впрочем, он явно не мог вообразить себе всех технических и организационных сложностей, связанных с проектированием такого рода автоматов, а потому его аналитическая машина так и осталась недостроенной. Неясно, знали ли пионеры информатики ХХ века, в том числе фон Нейман, о наработках Бэббиджа.

Хотя машина Бэббиджа так и не была опробована на практике, она тем не менее привела к возникновению такой области, как разработка программного обеспечения. Ада Байрон, графиня Лавлейс и единственный законнорожденный ребенок поэта лорда Байрона, написала программы для аналитической машины Бэббиджа (которые, между прочим, ей приходилось отлаживать в уме), а также перевела статью итальянского математика Луиджи Менабреа, снабдив ее собственными пространными комментариями. Она писала, что «аналитическая машина плетет алгебраические узоры, как жаккардовый ткацкий станок – цветы и листья». Вероятно, Ада Байрон первой предположила возможность создания искусственного интеллекта, но пришла к выводу, что аналитическая машина «не может породить нечто новое».

Концепция Бэббиджа поистине удивительна, учитывая эпоху, в которой он жил и трудился. Однако к середине XX века его работа затерялась в тумане десятилетий. Именно фон Нейман сформулировал ключевые принципы компьютера, каким мы знаем его сегодня, а его машина была и остается основной моделью машинных вычислений.

Впрочем, мы не должны забывать, что элементы машины фон Неймана постоянно обмениваются данными; если бы не теоремы Шеннона и методы, которые он разработал для передачи и хранения цифровой информации, ее бы не существовало.

Это подводит нас к четвертой важной идее – поискам способов наделить компьютеры интеллектом и опровергнуть заключение Ады Байрон о неспособности машины мыслить творчески. Алан Тьюринг первым сформулировал такую цель в своей статье 1950 года «Вычислительные машины и разум», которая включает ныне знаменитый тест Тьюринга. Последний сводится к следующему вопросу: достиг ли искусственный интеллект уровня человеческого интеллекта? В настоящей книге, после обсуждения предлагаемой им архитектуры, фон Нейман рассматривает человеческий мозг. В конце концов, этот орган – наилучший пример интеллектуальной системы, которым располагает человечество. Если мы сможем изучить его методы, мы сможем использовать биологические парадигмы для создания более умных машин. Эта книга представляет собой самое первое серьезное исследование человеческого мозга с точки зрения математика и пионера информационной эры. До фон Неймана информатика и нейронаука были подобны двум островам без моста между ними.

По иронии судьбы, последней работой одного из самых блестящих математиков XX века и одного из пионеров компьютерной эры стало исследование человеческого интеллекта в рамках серии лекций для Йельского университета. К сожалению, из-за болезни фон Нейман так и не прочел эти лекции и даже