Průkopníci informačního věku (9.): John von Neumann

Hardware |

Víte, kdo bezesporu patří k nejvýznamnějším matematikům 20. století? Zajímá vás, čí jsou ve své podstatě všechny počítače vyrobené od druhé poloviny čtyřicátých let? Zavítejte s námi do historie!

Průkopníci informačního věku (9.): John von Neumann




Víte, kdo bezesporu patří k nejvýznamnějším matematikům 20. století? Zajímá vás, čí jsou ve své podstatě všechny počítače vyrobené od druhé poloviny čtyřicátých let? Zavítejte s námi do historie!

 

Johnny či doktor Mirakel, tak mu říkali jeho kolegové, zatímco jeho manželka Klara v žertu říkala: „Můj muž počítá všechno kromě kalorií.“ Patří bezesporu k nejvýznamnějším matematikům 20. století. I když jeho teorie významně ovlivnily řadu vědeckých oborů od kvantové fyziky po ekonomii, ve výpočetní technice je jeho význam zásadní.

Převážná většina počítačů vyrobených od druhé poloviny čtyřicátých let jsou v zásadě „von Neumannovými stroji“ – byl to právě John von Neumann, kdo navrhl zásadu, že by se vnitřní struktura počítače neměla nijak měnit v závislosti na zpracovávané úloze. Že by měla být univerzální, aby byla schopna si poradit s úlohami nejrůznějšího typu, přičemž konkrétní úkol má být řešen výhradně programem. Revoluční myšlenkou byl i jeho návrh, že programy i data se mají uchovávat v téže operační paměti. Do té doby totiž platilo, že programy a data jsou dvě různé věci, které není možno směšovat. Neméně významným rysem von Neumannovy architektury je i způsob provádění programu, který má sekvenční charakter.

„Je to bezesporu nejdůležitější dokument výpočetní techniky,“ prohlásil jeho spolupracovník Hermann Goldstine, když se seznámil s Prvním náčrtem zprávy o EDVACu, kde John von Neumann poprvé představil svou ideu programu uchovávaného v paměti. Pozoruhodný je ale i fakt, že tento významný předěl je jen jedním z mnoha vědeckých přínosů, pod nimiž nacházím pomyslný podpis geniálního matematika Johna von Neumanna.

Narodil se v roce 1903 v rodině bohatého židovského bankéře, která obývala velký rodinný činžák v centru Budapešti. Otec jej – stejně jako jeho dva bratry – vedl od dětství ke svobodomyslnosti, židovské svátky, jak řekl jeden ze členů rodiny, byly pouze příležitostí k setkání s příbuzenstvem. János, jak znělo jeho původní jméno, byl zázračným dítětem. Měl jednak fenomenální paměť, takže dokázal citovat dlouhé pasáže textu po pouhém jednom přečtení, jednak neobyčejně vynikal v matematice – už v šesti letech dokázal z hlavy dělit osmiciferná čísla. Otec jeho nadání podporoval nejen tím, že mu zaplatil nejlepší školu ve městě, ale také mu pravidelně kupoval knihy. Když János vstoupil na budapešťskou univerzitu, profesor matematiky záhy odhalil jeho neobyčejné nadání a připravil pro něj individuální plán studia.

Po první světové válce nastal v Maďarsku zmatek, při kterém se ustanovila komunistická republika rad. Bankéř Neumann okamžitě odcestoval s rodinou do zahraničí. Vrátili se, až když se situace v zemi stabilizovala. Z této epizody si nicméně mladý János odnesl poučení, které se projevovalo jeho celoživotní nedůvěrou v komunismus.

Protože otec trval na tom, aby si zvolil i praktický obor, začal kromě matematiky studovat chemické inženýrství, přičemž v obou oborech získal doktorát. Aby se mohl skutečně realizovat v matematice, musel opustit Maďarsko a začít působit v Německu, které bylo v té době kolébkou pokročilé matematiky a fyziky: zatímco na univerzitě v Berlíně v té době přednášel Albert Einstein, univerzita v Götingenu proslula jak mladými fyziky, kteří zformulovali základy kvantové mechaniky, tak i významnými přínosy v matematice, za nimiž stál především David Hilbert. Neumann, který se v pouhých třiadvaceti letech stal nejmladším docentem na berlínské Humboldtově univerzitě, se od počátku intenzivně zabýval jak problémy moderní matematiky, tak kvantovou mechanikou. V roce 1927 publikoval pod jménem Johann von Neumann článek, který mu poprvé ve vědeckém světě zajistil proslulost. Poskytl v něm mimo jiné matematický základ pro vysvětlení jednoho aspektu duality částice-vlna. Rok nato se začal zabývat matematickou teorií her. Nejenže formuloval její základy, ale později společně s ekonomem Oskarem Morgensternem tuto progresivní disciplínu aplikoval na ekonomii.

 

Za velkou louží

V době, kdy končil první fázi práce na teorii her, začalo v Německu stoupat politické napětí. K moci se drala NSDAP v čele s Adolfem Hitlerem, která se nijak netajila antisemitskými postoji. To byl důvod, proč židovští vědci, kteří v rostoucí podpoře nacistů vycítili předzvěst tragédie, začali jeden po druhém opouštět německé univerzity a odcházet do zahraničí, především do Spojených států amerických.

Von Neumann nebyl výjimkou. Ačkoli mu ještě nebylo ani třicet let, měl již pověst geniálního matematika, který je schopen nejen řešit nejsložitější úlohy, ale také objevovat nové obzory. Ještě před cestou za „velkou louži“ se v Německu stačil oženit s Mariette Kövesiovou a ve Spojených státech pak zamířil na Princetonskou univerzitu. V jejím rámci byl právě založen Institut pro pokročilá studia a mladý Neumann společně se dvěma dalšími slavnými imigranty z Německa, Albertem Einsteinem a Kurtem Gödelem, patřil k prvním členům tohoto vědeckého pracoviště, které se zakrátko stalo předním centrem matematiky a teoretické fyziky.

Adaptace na nové prostředí nečinila von Neumannovi sebemenší problémy. Naopak, jeho bohémské povaze plně vyhovoval americký způsob života. Na rozdíl od poněkud uzavřeného Einsteina a bázlivého Gödela se nerozpakoval užívat si života plnými doušky. Pořídil si dům, v němž pořádal bouřlivé večírky, a také sportovní vůz, v němž své přátele děsil rychlou jízdou. Není se co divit, že jeho manželství se nedlouho po příchodu do Princetonu rozpadlo, ale už v roce 1938 se oženil znovu (jeho druhou ženou se stala Klara Danová, kterou poznal v Budapešti při své poslední cestě do Evropy před tím, než vypukla druhá světová válka). Téhož roku získal americké občanství.

Neumannův bohémský životní styl ovšem nijak neohrožoval jeho vědeckou práci. Vedle řady matematických problémů, jimiž se zabýval, začaly jeho pozornost poutat i teoretické otázky související s konstrukcí programovatelného výpočetního stroje. Zájem v něm vzbudila jak práce Alana Turinga, s nímž se osobně setkal v roce 1935 v Cambridgi, tak články neurologů (např. Waltera Pittse) zabývající se možností vnést matematický řád do vysoce komplexních a dosud málo známých procesů, které se odehrávají v mozku. Všechny tyto úvahy se podivuhodným způsobem propojily se světovými událostmi počátku čtyřicátých let.

 

Projekt Manhattan

Po vstupu Spojených států do druhé světové války obdržel americký prezident Franklin Delano Roosevelt od několika významných fyziků dopis, v němž byl upozorněn na skutečnost, že by Adolf Hitler mohl získat zbraň, která by mu mohla umožnit vítězství ve válce. Na základě této obavy vláda Spojených států odstartovala nejambicióznější vědecký projekt dosavadní historie, jejímž výsledkem byla konstrukce prvních jaderných zbraní.

Tajný vývoj bomby, označovaný jako Projekt Manhattan, byl soustředěn do odlehlého místa v Novém Mexiku, kde vznikla Národní laboratoř Los Alamos. John von Neumann společně se svým spolupracovníkem Stanem Ulmanem dostal za úkol vyřešit několik problémů, z nichž nejvýznamnější bylo řešení hydrodynamické imploze, potřebné při konstrukci výbušných čoček pro stlačení plutonia do centra bomby. Tento problém souvisel s otázkou komplexity a vyžadoval obrovské množství výpočtů, pro které ovšem dosud neexistovalo dostatečně vyspělé zařízení.

Historie ve skutečnosti povstává ze zřetězení mnoha nahodilostí. Jednou z nich bylo i setkání Neumanna s armádním důstojníkem Hermannem Goldstinem, jenž pro Laboratoř balistických výzkumů koordinoval práci na prvním elektronkovém počítači ENIAC. K setkání došlo v roce 1944 na nádraží ve Filadelfii. „Hovor se záhy stočil na mou práci,“ napsal později Goldstine. „Když se ukázalo, že se zabývám vývojem elektronického počítače schopného provést 333 násobení za sekundu, von Neumann nebyl k udržení. Chtěl stroj vidět, nejlépe okamžitě.“

A tak se stalo, že matematik na počátku srpna roku 1944 přicestoval do Mooreovy inženýrské školy, kde si prohlédl dosud nedokončený ENIAC. Po schůzce s týmem vědců, především Goldstinem, Mauchlym a Eckertem, nadnesl možnost zásadního vylepšení stroje. To již přirozeně nebylo možné uskutečnit, neboť by si to vyžadovalo změnu celé architektury. Proto byl kolegy vyzván, aby svou představu sepsal. Výsledkem se stal První náčrt zprávy o EDVACu (First Draft of a Report on the EDVAC). Jak už bylo předznamenáno, jedná se o dokument, který zásadně ovlivnil vývoj informačních technologií. Von Neumannovo uspořádání přineslo průlom v tom, že umožňovalo změnit program počítače bez zásahů do fyzické struktury stroje. Jinými slovy přinášelo řešení nejpalčivějšího problému ENIACu, který musel být před každou novou úlohou „předrátován“.

Na základě von Neumannova „Prvního náčrtu“ byl na Mooreově elektrotechnické škole krátce po válce zkonstruován počítač EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Ačkoli i v jeho případě byly použity křehké elektronky, v porovnání s ENIACem představoval obrovské zlepšení.

 

Počátek závodů ve zbrojení

Že ukončení války v Tichomoří způsobilo právě použití atomových bomb vyvinutých v Los Alamos, je známý fakt. Ale ani po této události, kterou skončila druhá světová válka, vědecké městečko v poušti zcela neosiřelo. Politický vývoj ve střední a východní Evropě a Churchillův projev o železné oponě ve Fultonu (stejně jako řada dalších událostí) naznačovaly, že svět vstupuje znovu do nejistého období. Později bylo označeno jako studená válka. Řada vědců, kteří se podíleli na konstrukci atomové bomby, odmítla po jejím použití nadále pokračovat ve vývoji jaderných zbraní, ale John von Neumann mezi ně nepatřil. Naopak. Stal se společně se Stanem Ulamenem nejbližším spolupracovníkem Edwarda Tellera, autora teorie, z níž vyplývalo, že je možné vyvinout ještě ničivější zbraň. Hovořilo se o ní jako o vodíkové pumě či superbombě.

Jestliže konstrukce atomové bomby byla neobyčejně technicky náročná, vodíková bomba představovala pro fyziky ještě náročnější úkol. Před vlastní konstrukcí této superbomby bylo nutné zdolat obrovské množství výpočtů. Historik Robert Jungk je v knize Jasnější než tisíc sluncí přiléhavě označil jako matematický „Mount Everest“. K výpočtům se využíval nejprve těžkopádný elektronkový ENIAC, ale protože toto monstrum mělo řadu nedostatků a navíc komunikace mezi Aberdeenem a Los Alamos občas nepatřila k nejsvižnějším, získal von Neumann finance na sestrojení vlastního počítače určeného výhradně pro Los Alamos. Schválení proběhlo bleskově, neboť z několika zdrojů bylo patrné, že vodíkovou bombu vyvíjí i Sovětský svaz.

Nový počítač dostal název MANIAC (Mathematical Analyzer, Numerical Integrator and Computer) a byl kousek po kousku sestavován von Neumannovými kolegy, k nimž patřili zejména Nicholas Metropolis a James Richardson. MANIAC byl dokončen v roce 1952. Carl Mark, šéf teoretického oddělení Los Alamos, později uvedl: „Problém, na němž jinak pracovali tři lidé po tři měsíce, dokázali titíž lidé s pomocí nového počítače vyřešit asi za deset hodin. Fyzikové, kteří úkoly formulovali, nemuseli už čekat čtvrt roku na výsledek, bez něhož nemohli dál pracovat. Dostali ho ještě týž večer. A takových tříměsíčních výpočtů, které se teď scvrkly na jeden pracovní den, vyžadovala vodíková puma spoustu.“

Vývoj superbomby byl přesto komplikovaný a provázely jej i neshody mezi vědci. Teller, duchovní otec termonukleární zbraně, se posledního stadia konstrukce kvůli roztržce s nadřízenými neúčastnil. Namísto toho se stal vědeckým šéfem nově budované Národní laboratoře v Livermoru.

Účinky vodíkové bomby Američané poprvé odzkoušeli na bikinském atolu 1. března 1954. Mohutná bomba byla umístěna na ostrůvek Elugelab do betonového bunkru. Po odpálení se k obloze zvedl obrovský mrak kouře. Uvolnilo se tak obrovské množství energie, že se někteří vědci zpočátku zděsili, zda neučinili ve výpočtech chybu – jejím důsledkem by mohla být ztráta kontroly nad jadernými procesy. To se naštěstí nestalo. Výpočty provedené na raných elektronických počítačích pod vedením Johna von Neumanna byly přesné. Přesto tomu, co se stalo, nechtěli vědci zprvu ani uvěřit: ostrůvek Elugelab zmizel a pod Tichým oceánem se otevřel kráter o délce zhruba jednoho a půl kilometru. Podle pozorování Sovětský svaz už vodíkovou bombu vlastnil, došlo tedy k nastolení rovnováhy. Závody ve zbrojení mezi dvěma světovými velmocemi tím ovšem nekončily, ale teprve začaly.

Pokračování článku nejen s popisem Von Neumannovy architektury naleznete na sesterském magazínu CIO Business World.














Komentáře