Phenquestions
John von Neumann
John von Neumann werd op 28 december 1903 in Boedapest geboren in een rijke bankiersfamilie die tot de Hongaarse adel was verheven. Van jongs af aan toonde hij een groot intellect en werd hij bestempeld als een wonderkind. Op 6-jarige leeftijd kon Von Neumann Oud-Grieks spreken en een paar getallen van 8 cijfers in zijn hoofd delen, en op 8-jarige leeftijd had hij differentiaal- en integraalrekening geleerd. Toen von Neumann 15 was, regelde zijn vader dat Gábor Szegő als zijn privéleraar wiskunde zou dienen. Bij hun eerste les was de beroemde wiskundige Szegő tot tranen toe geroerd na het zien van de snelheid en vaardigheid van de jonge von Neumann. Naast deze ongelooflijke prestaties had von Neumann een fotografisch geheugen en kon hij hele romans woord voor woord voordragen.
Von Neumann behaalde een tweejarig certificaat in de chemie aan de Universiteit van Berlijn en een doctoraat in de wiskunde aan de Pázmány Péter University. Na het voltooien van zijn doctoraat ging von Neumann naar de universiteit van Göttingen om te studeren bij David Hilbert, een van een belangrijke wiskundige wiens werk hielp bij de ontwikkeling van de computer. Daarna ging von Neumann naar Princeton University om een levenslange aanstelling te accepteren bij het Institute of Advanced Study. Zijn kantoor was enkele deuren verwijderd van het kantoor van Albert Einstein, en Einstein klaagde dat Von Neumann Duitse marsmuziek te hard op zijn kantoorfonograaf speelde.
Terwijl hij in Princeton was, werd von Neumann binnengehaald om te werken aan het Manhattan Project. Hij maakte vele reizen naar Los Alamos Laboratory om de ontwikkeling van atoomwapens te volgen, en hij was cruciaal in vele stadia van het ontwerp en de bouw van de twee kernwapens die op Japan waren gedropt. Hij was ooggetuige van de eerste test van een atoombom op 16 juli 1945, en hij was lid van de commissie die moest beslissen welke twee Japanse steden doelwit zouden zijn voor de bom. Voor zijn betrokkenheid bij het Manhattan Project werd von Neumann misschien wel de grootste inspiratie voor het personage Dr. Strangelove in de gelijknamige film van Stanley Kubrick.
dr. Vreemde liefde
Rond de tijd dat hij aan de atoombom werkte, begon von Neumann te werken aan ideeën die de basis zouden vormen voor de informatica. Von Neumann had jaren eerder een ontmoeting gehad met Alan Turing, en rapporten suggereren dat von Neumann werd beïnvloed door Turing's paper "On Computable Numbers".Zeker, dankzij zijn eerdere werk met Hilbert, bevond von Neumann zich in een uitstekende positie om de betekenis van Turing's werk te erkennen.
In 1945, terwijl hij in de laatste fase van zijn werk aan het Manhattan-project zat, vertelde von Neumann aan vrienden en collega's dat hij nadacht over nog meer ingrijpende werkzaamheden. Terwijl hij in een trein naar Los Alamos zat, schreef von Neumann een document genaamd "First Draft of a Report on the EDVAC". Dit document van 101 pagina's bevat het ontwerp van de von Neumann-architectuur, dat sinds de introductie het dominante paradigma in de computerarchitectuur is gebleven. De von Neumann-architectuur wordt meestal geassocieerd met het computerconcept met opgeslagen programma's, maar het omvat ook een 4-delig technisch ontwerp dat verschilt van andere concepten met opgeslagen programma's.
Het belangrijkste is dat de von Neumann-architectuur een computer met een opgeslagen programma is. Computers met opgeslagen programma's gebruiken één geheugeneenheid om zowel de computerprogramma's als de gegevens op te slaan die de computerprogramma's als invoer gebruiken. Het ontwerp van het opgeslagen programma staat meestal in contrast met de Harvard-architectuur, die afzonderlijke geheugeneenheden gebruikt om het computerprogramma en de programmagegevens op te slaan.
Het idee van een architectuur met opgeslagen programma's werd stilzwijgend gesuggereerd door Turing's werk aan universele Turing-machines, aangezien deze machines theoretische versies zijn van computers met opgeslagen programma's. Von Neumann erkende echter de waarde van het expliciet engineeren van deze eigenschap in computers. De alternatieve methoden voor het programmeren van computers vereisten handmatige bedrading of herbedrading van de computercircuits, een proces dat zo arbeidsintensief was dat computers vaak voor één functie werden gebouwd en nooit opnieuw werden geprogrammeerd. Met het nieuwe ontwerp werden computers gemakkelijk herprogrammeerbaar en konden ze veel verschillende programma's implementeren; er moesten echter toegangscontroles worden ingeschakeld om te voorkomen dat bepaalde soorten programma's, zoals virussen, cruciale software, zoals het besturingssysteem, herprogrammeren.
De meest bekende ontwerpbeperking van de von Neumann-architectuur wordt de 'von Neumann-bottleneck' genoemd. De bottleneck van von Neumann wordt veroorzaakt door de architectuur van het opgeslagen programma, omdat de gegevens en het programma dezelfde bus naar de centrale verwerkingseenheid delen. De overdracht van informatie van het geheugen naar de CPU is doorgaans veel langzamer dan de daadwerkelijke verwerking in de CPU. Het von Neumann-ontwerp verhoogt de benodigde hoeveelheid informatieoverdracht omdat zowel het computerprogramma als de programmagegevens naar de CPU moeten worden overgedragen. Een van de beste methoden om dit probleem te verhelpen, is het gebruik van CPU-caches. CPU-caches dienen als tussenpersonen tussen het hoofdgeheugen en de CPU. Deze CPU-caches bieden kleine hoeveelheden snel toegankelijk geheugen in de buurt van de processorkern.
De von Neumann-architectuur bestaat uit vier delen: de besturingseenheid, de verwerkingseenheid (inclusief de rekenkundige en logische eenheid (ALU)), de geheugeneenheid en de invoer-/uitvoermechanismen. De invoer-/uitvoermechanismen omvatten de standaardapparaten die bij computers horen, inclusief toetsenborden als invoer en beeldschermen als uitvoer. De invoermechanismen schrijven naar de geheugeneenheid die de computerprogramma's en de programmagegevens opslaat. De besturingseenheid en de verwerkingseenheid vormen de centrale processor. De besturingseenheid stuurt de centrale verwerking aan volgens de instructies die het ontvangt. De verwerkingseenheid bevat een ALU die een basis rekenkundige of bitsgewijze bewerkingen uitvoert op een reeks bits. De ALU kan veel verschillende functies vervullen; daarom is het de functie van de besturingseenheid om de ALU zo te sturen dat deze de juiste functie op de juiste string uitvoert.
De von Neumann-architectuur
Na de introductie werd de von Neumann-architectuur de standaard computerarchitectuur en werd de Harvard-architectuur gedegradeerd tot microcontrollers en signaalverwerking. De von Neumann-architectuur is nog steeds in gebruik, maar nieuwere en meer gecompliceerde ontwerpen, geïnspireerd op de von Neumann-architectuur, hebben de oorspronkelijke architectuur overschaduwd in termen van populariteit.
