根據馮·諾依曼提出的原理製造的計算機被稱為馮·諾依曼結構計算機，現代計算機雖然結構更加複雜，計算能力更加強大，但仍然是基於這一原理設計的，也是馮諾依曼機。
基本介紹
- 中文名：馮諾依曼機
- 說明：馮·諾依曼的原理製造的計算機
- 時間：20世紀40年代
計算機,歷史,特徵,功能,基本組成部件,機器人,歷史,虛擬現實機器,微宇宙的上帝,被毀滅的人,
計算機
歷史
20世紀40年代，馮·諾依曼在參與世界上第一台計算機-ENIAC的研製小組工作時，發現ENIAC有兩個致命的缺陷：一是採用十進制運算，邏輯元件多，結構複雜，可靠性低；二是沒有內部存儲器，操縱運算的指令分散存貯在許多電路部件內，這些運算部件如同一副積木，解題時必須像搭積木一樣用人工把大量運算部件搭配成各種解題的布局，每算一題都要搭配一次，非常麻煩且費時。
針對這兩個問題，諾依曼和其他合作者一起嘔心瀝血地進行了半年多時間的改革性研究，結果取得了令人滿意的成果。但是，由於ENIAC的製造已接近尾聲，因此它未能採用諾依曼的改進意見。
諾依曼的研究成果得到了ENIAC研製小組專家的青睞，他們在ENIAC尚未竣工之前，就著手計畫一個結構全新的電子計算機—EDVAC方案。1945年6月底，由諾依曼執筆寫出了EDVAC計畫草案。在這個方案中，諾依曼提出了在計算機中採用二進制算法和設定記憶體貯器的理論，並明確規定了電子計算機必須由運算器、控制器、存貯器、輸入設備和輸出設備等五大部分構成的基本結構形式。他認為，計算機採用二進制算法和記憶體貯器後，指令和數據便可以一起存放在存貯器中，並可作同樣處理，這樣，不僅可以使計算機的結構大大簡化，而且為實現運算控制自動化和提高運算速度提供了良好的條件。EDVAC於1952年建成，它的運算速度與ENIAC相似，而使用的電子管卻只有5900多個，比ENIAC少得多。EDVAC的誕生，使計算機技術出現了一個新的飛躍。它奠定了現代電子計算機的基本結構，標誌著電子計算機時代的真正開始。
特徵
功能
把需要的程式和數據送至計算機中。
必須具有長期記憶程式、數據、中間結果及最終運算結果的能力。
能夠根據需要控制程式走向，並能根據指令控制機器的各部件協調操作。
能夠按照要求將處理結果輸出給用戶。
基本組成部件
1，輸入數據和程式的輸入設備
2，記憶程式和數據的存儲器
3，完成數據加工處理的運算器
4，控制程式執行的控制器
5，輸出處理結果的輸出設備
機器人
歷史
克勞斯· 拉克納爾（Klaus Lackner）是哥倫比亞大學地球工程中心的教授，很多年前，他還在洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）工作。那時他和他的朋友，威斯康星大學的粒子物理學家克里斯托弗·文特（Christopher Wendt），正在喝啤酒聊天。一個念頭突然冒了出來：“怎樣解決全球變暖問題？”
他們都知道，這不是一件小事。他們打算把空氣中的二氧化碳轉變成碳酸鈣——石灰石、漢白玉、白堊，都是這種東西。從空氣中提取二氧化碳然後變成固體的工作量和所需要的資源都是驚人的，不能指望有人投資或者國家撥款，所以他們只好轉而尋求其他辦法。
例如……一個全自動的轉化過程。假設一台機器。它能夠複製自身。它可以把太陽能轉化為所需的電能。它可以很容易地獲得製造它的原料。這樣如何？
聽起來很不錯。機器數量將會以倍數遞增，一台變成兩台，兩台變成四台，然後是八台、十六台。這像是一個細胞一樣不停地分裂，而無窮無盡的太陽能將會讓它們不停地繁殖下去，直到被制止為止。
太陽能不是問題，而一台機器所需要的原料無非是鐵、銅、鋁、矽、碳這樣的常見元素罷了，這些東西遍地都是，只要提取出來就行。只有一個問題：怎樣讓機器自我複製？
這個問題曾經難倒過笛卡爾，不過我們現在已經有了答案。在20世紀40年代晚期，馮·諾依曼已經初步解決了這一問題。當時他在加利福尼亞州帕賽迪納的海克森研討班上做了一系列演講，要解決的核心問題就是“機器要怎樣才可以自我複製？”
馮·諾依曼認為，任何能夠自我繁殖的系統，都應該同時具有兩個基本功能。第一，它必須能夠構建某一個組成元素和結構與自己一致的下一代；第二，它需要能夠把對自身的描述傳遞給下一代。他把這兩個部分分別叫做“通用構造器”和“描述器”，而描述器又包括了一個“通用機器”和保存在通用機器能夠讀取的介質上的描述信息。
這樣，只要有合適的原料，通用構造器就可以根據描述器的指示，生產出下一台機器，並且把描述的信息也傳遞給這台新機器。隨後，新機器啟動，再進入下一個循環。
這種思路被幾年後的一項驚人發現所驗證。1953年，沃森和克里克發現DNA完全具備馮·諾依曼所提出的兩個要求。而現在，我們雖然還沒有設計出能夠真正完全複製的機器，但是使用馮·諾依曼的思路的自我複製產品的確已經存在——電腦病毒就是其中最廣為人知的一種。
克勞斯·拉克納爾和克里斯托弗·文特打算按照馮·諾依曼的思路開展他們的工作。他們給這個項目起名叫奧克松斯（Auxons），這是從希臘語的“auxein”借過來的，意思是“成長”。他們給最初的原型機安裝了高溫熔爐用來獲取需要的金屬原料，並且打算把它扔到沙漠裡面去。在那裡，奧克松斯可以獲得大量的原料和能量，並且不會有人來打擾。雖然沒有看到概念圖，但是在我的想法中，奧克松斯看起來應該跟Wall·E差不多……
然而，就現在而言，奧克松斯看起來還是有點過於精密了。它相當於將一條現代化的生產線全塞到一個小箱子裡面去，用目前的技術水平來實現它，還是有些難度。不過它的創造者們還是信心十足，希望能夠很快看到這種機器投入使用。想想它可能的用處吧：生產足夠整個世界使用的電能、改善全球氣候、甚至是改變大片區域的地貌，這些對於數億個太陽能機器來說，完全不在話下。
這個項目並沒有贏得所有人的叫好聲。有人擔心這種機器將會破壞沙漠地區的生態平衡，從而導致不可預測的結果。畢竟我們對於我們生活的這個星球了解得遠遠不夠。結果會怎么樣，現在還很難說。
《探索》雜誌在1995年將奧克松斯評選為“能夠改變世界的七個主意”之一。的確如此。無論是更好還是更壞，但是源源不斷複製的機器，必將改變世界。
虛擬現實機器
雖然比爾·蓋茨做出了不少錯誤的預言，但是這次看起來還是比較靠譜的。家用衛生機器人已經不是什麼稀罕東西了，最近還有一些企業推出了機器人廚師。小朋友們抱著會撒嬌的機器恐龍，科技館門口站著機器迎賓小姐。甚至還有人信誓旦旦地認定，到了2050年，和機器人結婚都不在話下。
實際上，能夠繁殖的機器並不少見——比方說我們的工業流水線。在你看到這裡的那一瞬間，世界上有大量我們看不見的機器人正在廠房裡忙碌。日本是世界上工業機器人最多的國家，世界上一半的工業機器人都在日本。那些機器人和我們在卡通片中看到的不太一樣——看起來只是一支機械手臂，沒有表情豐富的臉和健美好看的身段。這些機器人日復一日地在生產線上焊接組裝手機、電腦、以及……更多的機器人——但是同樣沒有自我意識。這種機器人看起來要安全得多。也許很快，我們在家裡也可以這么做了。
2008年7月，在切爾滕納姆科學節（Cheltenham Science Festival）上，英國巴斯大學的艾德里安·鮑耶（Adrian Bowyer）和紐西蘭科學家維克·奧利弗（Vik Oliver）公布了一個叫做“RepRap”的機器人。這台方方正正的機器看起來像一個鞋架，完全看不出我們夢想的那種機器人的影子。不過，它可以自我繁殖——雖然並不完全。
RepRap可以通過電腦的指令來製造實體的零件，然後由操作者手工裝配。實際上，它的核心部件就是一個三維列印噴頭，使用融化的塑膠來製造零件，或者使用融化的低熔點合金來列印電路。因為並非所有的部件都可以用塑膠或者這種合金來製作的，因此一些零件不得不採用其他材質。這距離我們想像的那種自我複製機器人似乎有點遠。
實際上，它所使用的三維印表機並不是什麼新東西。三維印表機的原理和傳統噴墨印表機很像，只不過它的噴頭能夠在水平和垂直兩個方向上移動，從而塑造出三維的形象。現在已經有了一些成熟的產品，但是價格卻一直高高在上。在這方面，RepRap有優勢得多。
這是由它的設計目的而決定的。RepRap是為了改善那些落後國家和地區的現狀而設計的，鮑耶希望這種產品的大規模套用能夠為落後國家提供一些製造業的就業機會。只需要一個RepRap和足夠多的標準零件，你就可以擁有無數個。然後，你就有了一條自己的生產線。
這個項目是完全開放和免費的。任何人都可以下載相關的使用說明書，使用它製造出來的產品也不需要支付任何版稅。也許過不了多久，我們就可以自己在家裡生產衣架和拖鞋這種小件產品，還可以多製造幾個RepRap送給其他人。
或者還有另外一種可能。2005年5月11日，康奈爾大學的科學家們展示了幾塊方塊。這些方塊每個都是10厘米見方，外表看起來一模一樣。把四個方塊摞在一起，它就變成了一個非常簡單的機器人。它會尋找附近的方塊，然後拼成一個和它一模一樣的傢伙。他的設計者介紹說，每一個方塊中都有一塊晶片，裡面存儲著拼裝的指令，並且通過控制方塊表面的電磁鐵來完成各種動作。
這種機器人的前景很不錯。我們可以想像由數十個或者數百個這種基本單位組成的機器人，當其中的某個單位壞掉的時候，可以很容易地替換。只要生產過程足夠簡單，這種機器人的成本會很低，而用途幾乎是無窮無盡的。也許有一天，這種機器人會自己生產基本單位，然後一切都不用我們操心了。
微宇宙的上帝
想像一個很小的東西。大概有一根頭髮直徑的7萬分之一那么小。對了，那就是1納米。1納米是1米的10億分之一，大概只有原子直徑的10倍。在幾十個到幾百個納米尺度上，人們打算製造些東西。這就是納米技術。
1959年，諾貝爾獎獲得者、物理學家費曼（《別鬧了，費曼先生！》那本書說的就是這位很好玩的物理學家），曾經做過一次名為“在物質底層有大量空間”的演講。他預言，人類將可以把分子甚至原子做為基礎原料，在最微觀的空間構建物質。例如，我們可以把碳原子一個一個排列成鑽石。畢竟世界是由原子構成的。在理論上，納米機器可以構建所有的物體。
費曼的預言很快成真了。1991年，IBM公司的一個研發小組在一塊鎳板上，通過掃描隧道顯微鏡用35個氙原子拼出了“IBM”的字樣。隨後，工程師們又製造出了幾個納米大小的齒輪、剪刀、螺旋槳這類東西，但是卻一直沒有找到好的馬達來驅動它們。
如果打算在這樣小的尺度上製造機器，工程師就需要向生物學家取經了。生物學家在這方面有所突破，他們發現生物體記憶體在著天然的分子馬達，生物體的一切定向運動都與它有關。而不同類別的分子馬達也有不同之處，有的用兩條“腿”邁步前進，有的還分成了“定子”和“轉子”。有了這些東西，那些納米級的零件就可以被驅動了。
對分子馬達的控制現在已經有了一些進展，用分子馬達驅動納米級別的機器很快就會成為現實。但是以現在的技術水平，生產這樣的機器成本實在太高，最好的辦法還是採用自我複製的方式。
納米機器人的複製會容易一些。它們可以直接抓取合適的分子甚至是原子來構建一個新的自己，或者乾脆利用DNA的自我複製的特性，從一個很快變成數十億個。無論是速度還是成本，都是其他製造工藝望塵莫及的。這些小傢伙可以在人體內工作，通過殺滅病毒、病菌來治療疾病、通過提高供氧量來改善體質，甚至延緩衰老治療癌症，這些都可能實現。想想看那部《垂暮之戰》吧。
不過就現階段而言，這種機器還不能指望很快出現。雖然最近這樣的研究成果已經出現在學術期刊和科學雜誌上，但是距離真正的套用，還有不小的距離。
被毀滅的人
伴隨著新技術而來的，往往不僅僅是讚嘆。可以自我複製的機器可以帶來前所未有的方便，但是它可能存在的問題也是顯而易見的：如果自我複製失控了呢？
2004年，有一本叫做《運動學的自我複製機器》（Kinematic Self-Replicating Machines）的書出版了。那本書的封面上是一片草原，上面擠滿了兔子。這個封面像是一個警告，在提醒我們無限繁殖會導致什麼樣的可怕狀況。
機器和兔子不同。兔子需要食物，需要排泄，需要自己的領地。當繁衍太多時，會因為生態的崩潰而大批死亡，最後重新恢復平衡。而機器不需要，當它的繁殖失去控制時，我們只能眼睜睜地看著它們吞噬所及的一切，而且每個周期都會增加一倍的數量。
對自我複製機器的擔心由來已久，甚至出現了了一個專有名詞“灰霧”（Gary Goo），專門用來描述世界被不停複製的納米機器吞噬的場景。1986年，埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）的《造物引擎》（Engines of Creation）一書中首先提出了這個名詞，這種情形想來非常可怕，但是實際上並不太可能發生。
但是，萬一這種機制失效呢？萬一某個頭髮蓬亂穿著白大褂或者梳著油光水滑髮型穿著昂貴三件套西裝的傢伙故意釋放了這種無限繁殖的機器呢？萬一機器在某天突然擁有自我意識（就我個人而言，完全不懷疑這一天的到來），變成了天網，甚或將我們的世界變成了The Matrix呢？這些依然是未知數。我們只能寄希望於科學家們的才智，姑且認為每當這個世界面臨崩潰的邊緣的時候，他們有能力將這個世界重新拉回正軌。
科學家們並沒有去迴避危險，是因為他們相信能夠控制他們的造物。說起來，人類的整個發展史，不也是走過了一條類似的道路嗎？
本文轉載於科學松鼠會，有所改動。
