Ljubavno pismo učenju
Velike ideje menjaju svet tek kada dobiju materijalni oblik u kome mogu pouzdano da rade. Sredinom četrdesetih godina dvadesetog veka elektronsko računanje već je pokazalo izvanrednu brzinu, ali su mašine ostajale ogromne, osetljive i teške za prilagođavanje. ENIAC je zauzimao čitave prostorije, sadržao hiljade elektronskih cevi i zahtevao složeno povezivanje kablova i podešavanje prekidača za svaki novi zadatak. Njegova snaga bila je stvarna, ali je put od matematičkog problema do izvršivog programa još prolazio kroz fizičku unutrašnjost uređaja.
Izgradnja ENIAC-a pripadala je velikom timu Murove škole elektrotehnike Univerziteta Pensilvanije. Džon Mokli i Dž. Presper Ekert vodili su konstrukciju, inženjeri i tehničari pretvarali su nacrte u elektronske sklopove, dok su programerke poput Ketlin Meknalti, Beti Dženings, Beti Snajder, Marlin Vesko, Fransis Bilas i Rut Lihterman razvijale postupke kojima će mašina rešavati konkretne probleme. Njihov rad zahtevao je istovremeno razumevanje matematike, logike i fizičke organizacije računara. Programiranje se odvijalo neposredno među kablovima i komandnim tablama, pa je svaka promena algoritma morala da pronađe novo mesto u opipljivoj građi sistema.
Džon fon Nojman susreo se sa tim razvojem u trenutku kada su ratna fizika i numerička analiza zahtevale proračune neuporedivo veće od dotadašnjih mogućnosti. Problemi hidrodinamike, balistike, nuklearnih reakcija i širenja udarnih talasa sastojali su se od dugih nizova međuzavisnih operacija. Rezultat jednog koraka postajao je početna vrednost sledećeg, dok su se greške i nepreciznosti mogle širiti kroz čitav model. Fon Nojman je razumeo da budućnost računanja zavisi od mašine koja će umeti da čuva celokupan opis postupka i samostalno prolazi kroz njegove korake.
U razgovorima o nasledniku ENIAC-a, budućem EDVAC-u, susreli su se inženjersko iskustvo Ekerta i Moklija, teorijska dostignuća matematičke logike i potrebe naučnika koji su želeli pouzdan instrument za numeričko istraživanje. Fon Nojman je 1945. godine sastavio First Draft of a Report on the EDVAC, dokument koji je opisao računar sa memorijom, aritmetičkom jedinicom, centralnim upravljanjem i ulazno-izlaznim organima. Izveštaj je umnožen i razaslat istraživačkim ustanovama, pa je arhitektonska zamisao počela da živi izvan kruga u kome je nastala.
Široko kruženje tog dokumenta ubrzalo je razvoj računarstva, ali je otvorilo i pitanje zasluga. Ekert i Mokli već su razmatrali program smešten u memoriji i tehnička rešenja potrebna za njegovu realizaciju, dok je objavljivanje izveštaja samo pod Fon Nojmanovim imenom doprinelo tome da kolektivni poduhvat kasnije bude predstavljen kao delo jednog čoveka. Naziv „fon Nojmanova arhitektura” zadržao se zbog ogromnog uticaja njegovog opisa, ali istorijska preciznost zahteva da se uz njega vide inženjeri, programeri, matematičari i institucije koji su zajednički stvarali temelje računara sa pohranjenim programom.
Fon Nojman je zatim učestvovao u jednom od presudnih koraka: pretvaranju arhitektonske zamisli u radnu mašinu. U Institutu za napredne studije u Prinstonu pokrenut je Projekat elektronskog računara, iz koga je nastala IAS mašina. Glavni inženjer Džulijan Bigelou vodio je složenu konstrukciju, dok su matematičari, fizičari, tehničari i programeri rešavali probleme memorije, pouzdanosti elektronskih cevi, upravljanja i unošenja podataka. Fon Nojman je povezivao naučne potrebe sa projektantskim odlukama, obezbeđivao podršku ustanove i usmeravao mašinu prema problemima za koje tada nije postojao drugi praktičan put računanja.
IAS računar koristio je binarne reči koje su mogle sadržati podatke ili instrukcije, a njegova upravljačka jedinica određivala je redosled u kome će operacije biti izvršene. Memorija zasnovana na Vilijamsovim cevima bila je brza prema merilima svog vremena, ali istovremeno nestabilna i zahtevna za održavanje. Svaki deo sistema morao je da dokaže da apstraktna shema može opstati u svetu zagrejanih cevi, električnog šuma, ograničenog kapaciteta i kvarova. Arhitektura je postala istorijska snaga tek kada su ljudi naučili da je izgrade dovoljno pouzdano da na njoj mogu zasnovati dalja istraživanja.
Posebna vrednost IAS projekta nalazila se u dostupnosti njegovih tehničkih izveštaja. Druge laboratorije nisu morale da počinju od praznog papira, jer su mogle proučavati organizaciju mašine, preuzimati iskustva i prilagođavati ih sopstvenim potrebama. Tako su nastali MANIAC u Los Alamosu, ILLIAC na Univerzitetu Ilinois, ORACLE u Nacionalnoj laboratoriji Ouk Ridž, JOHNNIAC u korporaciji RAND i AVIDAC u Argonskoj nacionalnoj laboratoriji. Svaki od tih računara imao je vlastita rešenja i namene, ali su zajedno činili porodicu sistema povezanu zajedničkim arhitektonskim nasleđem.
U tom širenju nacrta može se prepoznati rana kultura otvorenog tehničkog znanja. Pre standardizovanih procesora, gotovih memorijskih modula i komercijalnih softverskih platformi, napredak je zavisio od izveštaja, poseta laboratorijama, razmene iskustava i spremnosti istraživača da objasne kako su rešili konkretan problem. Otvorena dokumentacija ubrzala je izgradnju čitave oblasti, iako je istovremeno pokazala koliko je važno sačuvati tačan trag o autorstvu. Znanje dobija veću društvenu vrednost kada može da kruži, a pravedna naučna zajednica pamti čiji su rad, vreme i domišljatost omogućili to kruženje.
Fon Nojman je računar video kao novu vrstu laboratorije. Umesto da služi isključivo bržem dobijanju poznatog rezultata, mogao je da istražuje ponašanje sistema čije se posledice razvijaju kroz ogroman broj koraka. Atmosfera je bila jedan od prvih velikih izazova. Njeno kretanje opisuje se fizičkim jednačinama, ali su promenljive toliko povezane da je ručno računanje budućeg stanja zahtevalo više vremena nego što bi sama prognoza mogla da bude korisna.
Meteorolog Džul Čarni, Fon Nojman i njihovi saradnici pripremili su pojednostavljen model atmosfere za elektronsko računanje, dok je Klara Dan fon Nojman imala važnu ulogu u pretvaranju matematičkog postupka u kod koji je ENIAC mogao da izvrši. Eksperiment iz 1950. godine proizveo je prve uspešne numeričke prognoze vremena zasnovane na rešavanju fizičkih jednačina pomoću elektronskog računara. Rezultati su bili grubi, proračuni spori prema današnjim merilima, a model ograničen, ali je uspostavljen postupak iz koga će izrasti savremene vremenske prognoze, modeli oluja i klimatske simulacije.
Drugi veliki pravac otvorile su Monte Karlo metode, razvijane kroz rad Stanislava Ulama, Fon Nojmana, Nikolasa Metropolisa i drugih saradnika. Kod problema koji imaju previše mogućih putanja za neposredno izračunavanje, računar može izvesti veliki broj statistički izabranih eksperimenata i na osnovu njihove raspodele proceniti ponašanje sistema. Metoda je dobila praktičnu snagu zahvaljujući mašini sposobnoj da neumorno ponavlja slične operacije. Kasnije se proširila kroz fiziku, hemiju, medicinu, inženjerstvo, finansije, računarsku grafiku, procenu rizika i mašinsko učenje.
Ostvarenje arhitekture pohranjenog programa promenilo je i prirodu samog programa. Instrukcije su mogle da se sačuvaju, ispravljaju i prenose, a korisni delovi postupka ponovo upotrebe u drugim zadacima. Iz te mogućnosti postepeno su izrasli potprogrami, biblioteke, simbolički jezici, kompajleri i operativni sistemi. Znanje o tome kako se izvodi neki postupak odvojilo se od osobe koja je fizički podešavala mašinu i dobilo oblik koji se može deliti među ljudima i računarima.
Razvoj se istovremeno odvijao u više središta. Moris Vilks i njegov tim u Kembridžu izgradili su EDSAC, jedan od prvih praktično upotrebljivih računara sa programom u memoriji. Istraživači u Mančesteru razvijali su sopstvene memorijske i procesorske tehnike, dok je Alan Tjuring u projektu ACE oblikovao drugačiji pristup konstrukciji računara. Komercijalne kompanije zatim su laboratorijska dostignuća pretvarale u mašine dostupne državnim ustanovama, univerzitetima i preduzećima. Digitalni svet rastao je iz mnoštva međusobno povezanih projekata, a Fon Nojmanov doprinos bio je jedan od najuticajnijih mostova između teorije, arhitekture i primene.
Osnovna organizacija računara pokazala je i svoja ograničenja. Procesor izvršava instrukcije velikom brzinom, ali program i podaci moraju stizati iz memorije kroz komunikacione puteve ograničenog kapaciteta. Razlika između brzine procesora i brzine pristupa memoriji postala je poznata kao „fon Nojmanovo usko grlo”. Inženjeri su odgovorili registrima, keš memorijama, složenim memorijskim hijerarhijama, paralelnim magistralama i predviđanjem budućih instrukcija, pa savremeni procesor u unutrašnjosti obavlja mnoštvo radnji kako bi ublažio čekanje koje korisnik uglavnom ne primećuje.
Današnji grafički procesori, računarski klasteri, neuronski akceleratori i distribuirani sistemi daleko su složeniji od IAS mašine. Mnogi razdvajaju tokove instrukcija i podataka, izvršavaju ogroman broj operacija paralelno ili pomeraju računanje bliže memoriji. Ipak, njihovo postojanje pripada istoriji koju su otvorili prvi računari opšte namene: istoriji uređaja čije sposobnosti mogu da se menjaju programom i čija se arhitektura može prilagođavati novim vrstama problema.
Fon Nojman je pomogao da apstraktna zamisao dobije dovoljno jasan oblik da je drugi mogu izgraditi, ispitati, menjati i primeniti. Njegovo nasleđe ne stanuje samo u šemi procesora i memorije, nego i u mreži laboratorija, tehničkih izveštaja, naučnih modela i novih profesija koje su oko te šeme nastale. Digitalni svet izgrađen je kada je program postao prenosiv, računar opštenamenski, a složeni prirodni proces dostupan numeričkom eksperimentu. U tom pretvaranju ideje u zajedničku infrastrukturu Fon Nojman je postao jedan od njenih najvažnijih arhitekata.