Код как борьба. Кратчайшая история IT. Часть 2. Джон фон Нейман

Пара вводных реплик о концепции «Код как борьба». Здесь не будет исчерпывающих биографий — о каждом из протагонистов этого цикла написаны увесистые тома, и одна публикация их не заменит. Обойдемся мы и без занудного технического препарирования исходников. Вместо этого попробуем проследить, как одна фундаментальная мысль порождает другую, образуя преемственность поколений, которую люди проносили сквозь десятилетия и эпохи, порой даже не подозревая, что трудятся над общим делом. Если какой-то эпизод или нюанс захочется изучить глубже — в конце текста прикреплен список профильной литературы, статей и первоисточников.

Предыдущие материалы цикла:

Точка входа

0. Лейбниц, Бэббидж и Лавлейс

1. Алан Тьюринг

---

Прошлый протагонист доказал принципиальную возможность создания универсального вычислителя. Герой сегодняшнего дня — взял и спроектировал его, попутно занимаясь разработкой атомной бомбы.

Перед вами третья часть лонгрида «Код как борьба: Кратчайшая история IT». После драматичного выпуска, посвященного Тьюрингу, вектор повествования сместится: нас ждет не личная трагедия, а портрет титана интеллектуального труда, который, казалось, физически не умел концентрироваться на чем-то одном.

Поехали.

Часть первая. Интеллектуал без узкой специализации

Джон фон Нейман появился на свет в 1903 году в Будапеште в обеспеченной еврейской семье. И здесь сразу показательна деталь: согласно преданию, уже в шестилетнем возрасте он с легкостью оперировал в уме восьмизначными числами и наизусть цитировал страницы телефонного справочника.

Даже если эти байки преувеличены молвой, фактология биографии фон Неймана поражает воображение. В 1921 году, будучи совсем юношей, он завоевывает статус сильнейшего математика Венгрии.

Он получает блестящее образование в академических центрах Будапешта, Берлина и Цюриха. Примечательный штрих: в 1925 году он защищает диплом инженера-химика в Цюрихском политехникуме, а двенадцатью месяцами позже становится доктором математических наук в Будапештском университете. Уже на старте прослеживается редчайший синтез чистой абстракции и прикладной инженерии, задавший вектор всей его дальнейшей траектории.

В 1930 году он эмигрирует в США для преподавательской деятельности в Принстоне, а к 1933-му — когда новоиспеченный Институт перспективных исследований формирует свой первый постоянный профессорский состав — фон Нейман оказывается в числе квартета избранных светил вместе с Альбертом Эйнштейном и Германом Вейлем (Освальд Веблен, идейный вдохновитель инициативы, вошел в штат годом ранее). Чуть позже к ним присоединится Курт Гёдель. Иными словами, мы говорим об одной из самых мощных концентраций гениальности на квадратный метр в истории человечества, и фон Нейман чувствовал себя там абсолютно на своем месте.

Важно осознать масштаб до того, как мы перейдем непосредственно к компьютерам: к этому моменту он успел внести определяющий вклад в математическое обоснование квантовой механики, заложить основы теории игр в соавторстве с Оскаром Моргенштерном, опубликовать монументальный труд «Теория игр и экономическое поведение», а также построить сложные математические модели для макроэкономики.

Компьютерная архитектура — далеко не первая и, забегая вперед, далеко не последняя сфера, перевернутая им.

Часть вторая. ENIAC и проблема коммутации

В период Второй мировой войны фон Нейман вовлекается в Манхэттенский проект, где рассчитывает параметры имплозии для плутониевого заряда. В частности, он предлагает и математически верифицирует систему взрывчатых линз, обеспечивающую идеальную симметрию сжатия плутониевого ядра. Именно эта схема сработает как на полигоне Тринити, так и в небе над Нагасаки.

И параллельно с проектированием оружия судного дня до него доходят слухи о разработке ENIAC.

В чем заключалась загвоздка? ENIAC стал первым крупномасштабным электронным вычислителем в Штатах, завершенным к 1945 году. Для своей эпохи машина обладала колоссальной мощностью, но страдала от системного архитектурного изъяна.

Программная логика — то есть последовательность шагов, выполняемых устройством, — определялась не массивами данных в памяти, а физической коммутацией тумблеров и, что самое трудоемкое, ручным соединением кабелей между функциональными блоками.

Вдумайтесь: чтобы переориентировать ENIAC на новую задачу, требовались дни кропотливой ручной переброски проводов. Машина молниеносно производила расчеты, но парализующе медленно перенастраивалась.

Это прямая антитеза универсальной машине Тьюринга из нашего предыдущего рассказа, где софт записан на той же ленте, что и обрабатываемая информация.

Фон Нейман узнает о машине в августе 1944 года — если верить легенде, случайно столкнувшись на вокзальной платформе в Абердине с Германом Голдстайном, курировавшим ENIAC по линии армии. Голдстайн позже вспоминал, что узнал именитого математика по университетским лекциям и решил заговорить первым; когда речь зашла о машине, выполняющей свыше 300 умножений в секунду, характер беседы мгновенно накалился интеллектуальным драйвом. Историки до сих пор спорят о деталях этой встречи, однако вскоре после нее фон Нейман подключается в качестве консультанта к созданию EDVAC — следующего поколения вычислителей, призванного преодолеть родовые травмы ENIAC.

Часть третья. Манифест цифровой эпохи

В июне 1945 года фон Нейман издает предварительный доклад под названием «First Draft of a Report on the EDVAC». Предание гласит, что текст рождался прямо в вагоне поезда по пути в Лос-Аламос и пересылался в Филадельфию почтовыми бандеролями; Голдстайн занимался тиражированием рукописи. Перед нами сырой, черновой документ объемом чуть больше сотни страниц. Тем не менее он мгновенно расходится по профильным лабораториям планеты, превращаясь в негласный канон построения цифровых компьютеров. Говорят, именно знакомство с этим текстом вдохновило британца Мориса Уилкса отправиться за океан на знаменитые лекции в Мурскую школу летом 1946 года.

Давайте препарируем эту архитектуру простым языком, поскольку ее значение трудно переоценить.

Существует арифметико-логическое устройство — модуль, непосредственно совершающий математические и логические выкладки.

Существует управляющий блок — он координирует очередность выполнения команд, последовательно считывая инструкции.

Есть память — и в этом заключается главнейший прорыв. Инструкции программы и обрабатываемые данные хранятся в едином физическом пространстве в одинаковом цифровом формате. Эту концепцию нарекли концепцией хранимой программы.

И, наконец, подсистемы ввода-вывода — для коммуникации с внешним контуром.

В чем революционность подхода? Программу теперь можно модифицировать с той же легкостью, что и любые операнды. Отпала необходимость вручную перетыкать штекеры — достаточно подгрузить в ячейки памяти новую цепочку кодов.

Прослеживается прямая преемственность с прошлым выпуском. У Тьюринга софт и данные соседствуют на одной бесконечной ленте. У фон Неймана — в едином массиве оперативной памяти. Это не случайное совпадение, а блестящая инженерная реализация абстрактной концепции универсальной машины Тьюринга.

Часть четвертая. Обратная сторона триумфа

А теперь перейдем к менее глянцевой странице этой истории.

Концепция хранимой программы не была плодом индивидуального озарения фон Неймана. Она вынашивалась в интенсивных дискуссиях с Джоном Преспером Эккертом и Джоном Мокли — ведущими инженерами первоначального проекта ENIAC, а также с другими членами команды.

Тем не менее эпохальный черновой отчет вышел в свет с единственной фамилией на обложке. Почему? В силу бюрократической рутины именно он взял на себя труд оформить наброски в единый текст.

Эта случайность предопределила новейшую историю IT. Архитектура прочно закрепилась в учебниках как «архитектура фон Неймана», хотя Эккерт и Мокли впоследствии упорно отстаивали в судах и публицистике мысль о том львиная доля идей родилась коллективно задолго до прихода звездного математика. Более того, у Эккерта была вполне практическая претензия: он утверждал, что бесконтрольное тиражирование «First Draft» лишило их с Мокли возможности запатентовать базовый принцип хранимой программы — инновации утекла в общественное достояние до закрепления юридических прав. Сам же фон Нейман, по свидетельствам современников, относился к патентной бюрократии индифферентно, что можно трактовать и как академический идеализм, и как удобную позицию в споре.

Подобные казусы — не редкость, а симптоматичная болезнь истории технологий, когда медийное или авторитетное имя затмевает коллективный труд инженеров-разработчиков.

Вспомните кейс Ады Лавлейс: там имела место недооценка женского вклада. Здесь же ситуация зеркальная — гипертрофированное возвеличивание одной фигуры в ущерб ее соратникам. Оба примера обнажают истину: распределение лавров в технологической эволюции редко бывает кристально честным.

Часть пятая. На стыке ядерной физики и теории игр

Фон Нейман являет собой уникальный для науки пример полимата, ухитрявшегося одновременно двигать вперед физику сверхмощного оружия, экономическую науку и компьютерную инженерию. Три титанических пласта, каждый из которых сегодня требует от исследователя преданности всей жизни.

При этом нельзя умалчивать об идеологическом аспекте. Ученого отличали крайне жесткие взгляды на динамику холодной войны и доктрину ядерного сдерживания; его принято ассоциировать с истоками прикладной теории игр применительно к глобальным военным конфликтам, в частности с концепцией взаимного гарантированного уничтожения. Это сложная и дискуссионная грань его биографии.

Часть шестая. Долговечность архитектуры и ее ахиллесова пята

Практически вся вычислительная техника — от мэйнфреймов IBM System/360 до ретро-компьютеров из восьмидесятых, от карманных смартфонов до гипермасштабируемых облачных серверов — базируется на той же парадигме хранимой программы, зафиксированной в отчете 1945 года. Претерпев бесчисленные эволюционные апгрейды, концептуальное ядро осталось нетронутым.

При этом сохраняется фундаментальная архитектурная уязвимость, актуальная и поныне. Сам факт циркуляции команд и данных между процессорным ядром и памятью через общую шину создает узкое горлышко пропускной способности. В компьютерных науках это явление получило название «бутылочное горлышко фон Неймана» (von Neumann bottleneck), из-за которого кремниевые чипы вынуждены простаивать в ожидании выборки данных.

Львиная доля современных технологических ухищрений — многоуровневый кэш, конвейерная обработка инструкций, альтернативные гибридные решения вроде Гарвардской архитектуры в микроконтроллерах — это, по сути, попытки нивелировать ту самую застарелую конструктивную проблему 1945 года.

Архитектура оказалась настолько жизнеспособной и пластичной, что даже врожденный инженерный лимит не заставил индустрию отказаться от нее. Он лишь стимулировал семьдесят лет непрерывных инженерных обходных маневров.

Эпилог

Если Тьюринг математически обосновал гипотетическую реализуемость универсального вычислителя, то фон Нейман в соавторстве со скромными инженерами Эккертом и Мокли предоставил практическую проектную документацию для сборки этого устройства из реальной элементной базы.

И этот чертеж оказался столь безупречным, что триумфально преодолел почти восьмидесятилетний рубеж технологического прогресса.

Вопросы для дискуссии в комментариях

Первое. Этическая сторона атрибуции. Насколько правомерно увековечивать в названии архитектуры имя человека, который, опираясь на архивные свидетельства, лишь систематизировал коллективный труд коллектива, а не изобрел концепцию в одиночку? Что это говорит о механизмах формирования исторической памяти в научном сообществе?

Второе. Феномен универсализма. Возможен ли в современности — эпоху гиперспециализации, когда объем знаний в любой микро-нише стремится к бесконечности — появление фигуры масштаба фон Неймана? Способен ли один человек глубоко охватывать ядерную физику, экономику и системную архитектуру одновременно? Или это уникальный артефакт ушедшей эпохи, когда накопленный багаж цивилизации еще помещался в голове одного гения?

Третье. Неудобные вопросы. Как примирить в исторической оценке участие ученого в создании оружия массового поражения, радикальный милитаризм времен холодной войны и колоссальный созидательный вклад в цифровую цивилизацию? Допустимо ли вообще делить наследие выдающейся личности на техническое и этическое?

В следующем материале мы закроем финальный концептуальный пробел нашего цикла. Каким образом примитивная электрическая цепь способна оперировать логическими операциями, лежащими в фундаменте архитектуры фон Неймана? Нас ждет история Клода Шеннона — обещаю, атмосфера будет более непринужденной, нас встретит жонглирующий гений со своей механической мышью.

 

Источник