維納與計(jì)算機(jī)

維納對計(jì)算機(jī)的興趣主要在于電腦與人腦某些功能，如判斷、推理、記憶，的相似上，也即電腦在于模擬或代替人腦的某些功能的可能性或可行性上。

維納意識到，自動機(jī)機(jī)器與生物神經(jīng)系統(tǒng)具有某種相似性。

維納認(rèn)為計(jì)算機(jī)是一個(gè)進(jìn)行信息處理和信息轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，只要這個(gè)系統(tǒng)能得到數(shù)據(jù)，機(jī)器本身就應(yīng)該能做幾乎任何事情。維納進(jìn)一步認(rèn)為，計(jì)算機(jī)本身并不一定要用齒輪，導(dǎo)線，軸，電機(jī)等部件構(gòu)成。麻省理工學(xué)院的一位教授為了證實(shí)維納的這個(gè)觀點(diǎn)，甚至用石塊和衛(wèi)生紙卷制造過一臺簡單的能運(yùn)行的計(jì)算機(jī)。

維納對于計(jì)算機(jī)的思索和研究始于二十世紀(jì)40年代。那時(shí)，維納熱衷于考慮計(jì)算機(jī)如何能像大腦一樣工作。在維納的控制論中，計(jì)算機(jī)本身是一種自動機(jī)器，也即一種控制和通訊的機(jī)器，或自動控制系統(tǒng)。維納本著其一貫的思想，即將動物與機(jī)器進(jìn)行類比的思想，對計(jì)算機(jī)與動物神經(jīng)系統(tǒng)，特別是人腦，進(jìn)行類比。

正如維納在《控制論》導(dǎo)言中所說：

“中樞神經(jīng)系統(tǒng)不再是從感覺接受輸入又把它發(fā)射給肌肉的一個(gè)獨(dú)立自足的器官。相反地，它的某些最具有特征性的活動，只有把它當(dāng)作一個(gè)從神經(jīng)系統(tǒng)出發(fā)，進(jìn)入肌肉，然后通過感官再進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)的循環(huán)過程，才能理解。”

“很久以來我就明白，現(xiàn)代超速計(jì)算機(jī)在原理上是自動控制裝置的理想的中樞神經(jīng)系統(tǒng)?！?/span>

模仿人腦設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)或許是維納的想法。

第一次世界大戰(zhàn)期間，維納受美國軍方之邀，在維納在馬里蘭(Maryland)的阿伯丁實(shí)驗(yàn)場 (Aberdeen Proving Ground)研究高射炮打擊飛機(jī)的彈道學(xué)，編制射擊火力表，用于確定火炮瞄準(zhǔn)飛機(jī)的方位。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，戰(zhàn)斗機(jī)性能的提高要求防空火力對飛機(jī)進(jìn)行更為精確的跟蹤，美國軍方又一次邀請維納參與其研究工作。盡管維納是一個(gè)激進(jìn)的和平主義者，但他還是作為一個(gè)數(shù)學(xué)家，參與了軍方的研究工作。那是1940年，維納之于計(jì)算機(jī)的思想就是這時(shí)從防空火炮系統(tǒng)的研究中萌發(fā)的。

軍方對維納說，希特勒的戰(zhàn)斗機(jī)速度很快，飛行員們又大耍曲線、翻筋斗的伎倆，英法美盟軍的高射火炮根本打不著他們。地面指揮官和炮手們?yōu)榇撕芸鄲馈Ｒ虼?，需要制訂新的火力表?/span>

維納說用手工和計(jì)算尺計(jì)算肯定不行了，只有研制高速的計(jì)算機(jī)。

維納特意寫信給時(shí)任美國總統(tǒng)羅斯?？茖W(xué)顧問的布什，提議制造電子計(jì)算機(jī)，并提出了制造電子計(jì)算機(jī)的五點(diǎn)要求，即計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)五原則。維納關(guān)于計(jì)算機(jī)五原則的思想，部分來自于其對生物神經(jīng)系統(tǒng)的剖析，部分來自于工程實(shí)現(xiàn)的需要。在《控制論》中，維納對自己的計(jì)算機(jī)五原則有過詳盡的論述：

(1)   在計(jì)算機(jī)中心部分，加法和乘法裝置應(yīng)當(dāng)是數(shù)字式的，如同通常的加法機(jī)一樣，而不是基于量度的，如同布什微分分析機(jī)那樣。

(2)   這些實(shí)質(zhì)上是開關(guān)裝置的機(jī)件應(yīng)當(dāng)由電子管來做，而不要由齒輪或機(jī)械開關(guān)來做，以便保證更快速的動作。

(3)   根據(jù)貝爾電話研究所的現(xiàn)有裝置所采用的方針，加法和乘法采用二進(jìn)位制比十進(jìn)位制來，在裝置上大概會更為經(jīng)濟(jì)些。

(4)   全部運(yùn)算序列要在機(jī)器上自動進(jìn)行，從把數(shù)據(jù)放進(jìn)機(jī)器的時(shí)候起到最后把結(jié)果拿出來為止，中間應(yīng)該沒有人的干預(yù)。為此所需的一切邏輯判斷都必需由機(jī)器自身作出。

(5)   機(jī)器中要包含一種用來儲存數(shù)據(jù)的裝置，這個(gè)裝置要迅速地把數(shù)據(jù)記錄下來，并且把數(shù)據(jù)牢固地保存住，直到清除掉為止；讀出數(shù)據(jù)要迅速，清除數(shù)據(jù)也要迅速，而且又要能夠立刻用來存儲新的材料。

作為美國總統(tǒng)羅斯福科學(xué)顧問的布什是一位計(jì)算機(jī)科學(xué)家，是“布什微分機(jī)”的發(fā)明人，不過，“布什微分機(jī)”只是一種模擬計(jì)算機(jī)，而非數(shù)字計(jì)算機(jī)。布什非常贊成維納的提議和設(shè)想，并將維納的提議提交羅斯?？偨y(tǒng)。美國政府同意并批準(zhǔn)了維納的提議，并立即立項(xiàng)，成立了以馮·諾依曼(Von Neumann)為首的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)研究設(shè)計(jì)課題組，于是，1946年，號稱世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)的ENIAC就這樣誕生了。

維納以他一貫的方式從控制與通訊的角度論述計(jì)算機(jī)的作用和地位：

“很久以來我就明白，現(xiàn)代超速計(jì)算機(jī)在原理上是自動控制裝置的理想的中樞神經(jīng)系統(tǒng)?！?/span>

“并且，計(jì)算機(jī)的輸入和輸出不是必需采取數(shù)字和圖形的形式，它可以利用象光電池和溫度計(jì)這樣的人造感覺器官的讀數(shù)，以及馬達(dá)和螺線管的運(yùn)動情況?！?/span>

“利用應(yīng)力計(jì)或類似的儀器運(yùn)動器官的運(yùn)動情況，并把它當(dāng)作人造的運(yùn)動感覺去報(bào)告，去‘反饋’給中樞神經(jīng)系統(tǒng)(這里當(dāng)然是指計(jì)算機(jī))。這樣，我們就能夠制造出具有幾乎是任何精巧程度的人工機(jī)器了?！?/span>

人類對于自動計(jì)算技術(shù)的研究由來已久。早在中國的漢朝，大約2000年前，中國古代科學(xué)家就發(fā)明了算盤。十七世紀(jì)，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡爾(Pascal)采用齒輪傳動裝置，構(gòu)造了一種十進(jìn)制加法器。十八世紀(jì)，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲(Leibniz)的運(yùn)算裝置實(shí)現(xiàn)了十進(jìn)制加減乘除運(yùn)算。十九世紀(jì)，英國數(shù)學(xué)家巴貝基(Babbage)試圖把程序控制的思想引入自動計(jì)算機(jī)器，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平未能實(shí)現(xiàn)。1936年，圖靈(Turing)為了闡明“機(jī)器也能執(zhí)行人腦能執(zhí)行的指令序列”的思想，設(shè)計(jì)了一種計(jì)算模型，即著名的圖靈機(jī)(Turing Machine)。

今天的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)被稱為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗腔隈T·諾依曼計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三原則的，這些原則是：

(1)    計(jì)算機(jī)應(yīng)由五大功能部件組成：控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備；

(2)    數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部以二進(jìn)制數(shù)碼表達(dá)；

(3)    程序存儲與控制原則：將指揮計(jì)算機(jī)工作的命令集合進(jìn)行數(shù)字編碼并存儲在計(jì)算機(jī)的存儲器中，并順序地執(zhí)行代碼以控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行。

然而，鮮有人知，馮·諾依曼的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三原則源于維納的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)五原則，并且世界上第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC的誕生源于維納的推動。從時(shí)間上，以及維納和馮·諾依曼與圖靈的關(guān)系上，可以看出，無論是維納的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)五原則，還是馮·諾依曼的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三原則，都吸收了圖靈的程序控制思想。

馮·諾依曼(Von Neumann)是一個(gè)偉大的科學(xué)家，既是一個(gè)偉大的數(shù)學(xué)家又是一個(gè)偉大的研究自動機(jī)器的科學(xué)家，因其領(lǐng)導(dǎo)了ENIAC項(xiàng)目而被視為計(jì)算機(jī)之父。馮·諾依曼與維納友誼深厚，其許多的思想是共有的。正如馮·諾依曼之于《控制論》的創(chuàng)立有重要貢獻(xiàn)一樣，維納之于計(jì)算機(jī)的誕生不朽的功績。

從某種意義上說，維納與應(yīng)有計(jì)算機(jī)之父的地位，只是由于其《控制論》之父的聲譽(yù)太望，反而使人們淡忘了其對于計(jì)算機(jī)的功績。