János Neumann, mejor conocido como John Von Neumann fue un ilustre matemático reconocido por su gran a porte en el mundo de la informática y la computación.
Además de ser artífice de la arquitectura que lleva su nombre y que en la actualidad es la base del funcionamiento de la mayoría de los sistemas de programación, formó parte de los científicos que desarrollaron la bomba atómica en el Proyecto Manhattan.
Biografía
John von Neumann matemático originario de Budapest Hungría, nació el 28 de diciembre de 1903 y falleció a sus 53 años de edad, el 8 de febrero de 1957 en la capital de Estados Unidos, Washington D.C. El nombre real de este gran personaje es János Neumann, en su infancia le apodaban Jancsi, abreviación del húngaro János, una vez que llega a los Estados Unidos comienzas a llamarlo Johnny.
Su padre fue Max Neumann, banquero de clase alta, se desarrolló en el seno de una gran familia, desde corta edad ya dominaba el idioma húngaro, alemán y francés, además se distinguía por su gran capacidad retentiva, demostrándolo así en los encuentros que realizaba la familia. Se puede decir que era un niño con una mente prodigiosa, puest que con apenas seis años de edad era capaz de resolver fracciones de más de ocho dígitos mentalmente.
A pesar que estaban bajo la religión judía, el padre de János no practicaba la doctrina de forma estricta, por lo que el joven conoció varias costumbres del cristianismo. Adquirió el von y cambió su nombre a János von Neumann, esto se debe a que en 1913 Max, su padre, adquirió un título del que jamás hizo uso, pero su hijo si lo asumió.
En 1911, el joven Neumann ingresó a un colegio llamado Lutheran Gymnasium, el cual impartía una educación de estricto nivel académico. El maestro que le enseñaba las matemáticas enseguida vio en el pupilo una elevada aptitud en el área. Dato curioso es que en la misma institución en donde recibía su educación Von Neumann, también estaba como estudiante Eugene Wigner, otro que se convertiría en un prodigio experto en las matemáticas.
Afortunadamente los conflictos bélicos generados en la I Guerra Mundial no afectaron su educación. Sin embargo después del conflicto, en 1919 von Neumann y su familia salieron exiliados para Austria, puesto que en Hungría se instauro un régimen comunista, gobernado por Béla Kun, período que duró cinco meses, la familia se regresó antes de culminar este lapso. Luego de la caída de Kun, inició una persecución en contra de los judíos debido a que habían sido partícipes del gobierno rojo.
Finalmente en 1921, se gradúa del Lutheran Gymnasium. En 1922 salió a la luz el primer escrito público de su autoría referente a la matemática, relazado con la colaboración de Fekete que le ofreció tutorías en la prestigiosa Universidad de Budapest. A pesar del interés que Von Neumann sentía por esta área, su padre prefería que se enfocara en una profesión de mejores ingresos. Sin embargo logró obtener un cupo para ingresar en la Universidad de Budapest, instituto que para el momento no ofrecía muchas admisiones de estudiantes judíos, en donde estudiaría matemáticas. A pesar del esfuerzo salió de la institución para dirigirse a Berlín a cursar estudios de química, decisión que toma por influencia de Max Neumann.
En 1923 abandonó Berlín para trasladarse a Zurich. Cabe destacar que fue uno de los más sobresalientes en las calificaciones de las pruebas de matemática de la Universidad de Budapest, sin siquiera haber ingresado a las clases. Más adelante en 1925 obtuvo su título de ingeniero químico otorgado por la Technische Hochschule, ubicada en Zúrich.
Durante todo este período nunca perdió la afinidad que sentía hacia las matemáticas, ayudando a Weyl en sus clases mientras éste atendía otros compromisos fuera de Zúrich.
En 1926 logró doctorarse en matemáticas en la Universidad de Budapest, presentando un laborioso y reconocido trabajo en donde presentó la teoría de conjuntos. En 1923 ya había hecho público un concepto en donde definió el número ordinal, contando con veinte años, dicho concepto aún se sigue aplicando. En la actualidad se mantiene con aceptación los axiomas de conjuntos que realizó el matemático, nombrados en su honor teoría de von Neumann, Bernays, Gödel.
Durante tres años, desde 1926, fungió como catedrático de matemáticas en la Universidad de Berlín. Prosiguió estudios avanzados en Göttingen desde 1926 hasta 1927, ya en ese entonces era destacado por su gran conocimiento en el área de la matemática.
Visitó la Universidad de Princeton, Estados Unidos, en el año de 1930 fue invitado para formar parte del personal de profesorado, se trasladó con su entonces novia Mariette Koevesi, ese mismo año se casaron y fruto de esta unión nacería en 1935 una hija llamada Marina, que se convertiría en una prestigiosa economista. En el cargo duraría hasta 1933, alternando su estancia entre Estados Unidos y Alemania.
Con el establecimiento del nazismo en el poder y convencido de que en el país norteamericano tendría más oportunidades de continuar ejerciendo, se quedó definitivamente en Estados Unidos, una vez establecido colaboró con un gran número de científicos judíos que habían huido del gobierno nazi para que lograran conseguir empleo. En 1933 se fundó el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, elegido Von Neumann como uno de los primeros catedráticos matemáticos en conjunto con Albert Einstein, Oswald Veblen, Hermann Weyl y James W. Alexander, actividad que ejerció hasta el final de sus días.
Ya en 1932 había publicado “Fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica”, también fundó la teoría de juegos. Expuso su proposición demostrable del minimax y más delante sacaría a la luz su afamado texto titulado “Teoría de juegos y del comportamiento económico”, publicación que ocurre en 1944 teniendo como coautor a Oskar Morgenstern.
Innovó una vez más, al desarrolla un apartado en la revista Mathematische Annalen, ya que estudió por vez primera las álgebras auto-adjuntas un operador lineal acotado u operador acotado sobre un espacio vectorial normado de Hilbert. En honor a su aporte en 1957 el experto J. Dismier las llamaría “álgebras de von Neumann”, en la actualidad se siguen conociendo de esta manera.
Es casi imposible hablar de avances en el mundo de la computación y no hablar de Von Neumann, desarrollo grandes contribuciones sobre el diseño lógico o lo que se conoce como programación. Es el creador de la arquitectura de los ordenadores de hoy en día, planteó adoptar el bit como sistema de medición de almacenamiento de los computadores y estableció como solución a la problemática sobre obtener respuestas confiables de elementos no confiables, llamada bit de paridad.
Contribuyó en el diseño de la primera máquina de computación denominada “Computador e Integrador Numérico Electrónico” o por sus siglas en ingles el ENIAC, proyecto llevado a cabo para deducir el trayecto de los misiles, sin embargo uno de los inconvenientes era que al momento de ejecutar cambios en el programa se debían modificar las conexiones de la valvula; por lo que posteriormente el matemático hizo la propuesta de crear unidades separadas para el hardware y para el software, conformando lo que se conoce como EDVAC , que tenía el primer programa elaborado para que fuese almacenado.
Una de sus teorías más estudiadas sobre las máquinas es la que plantea el modelo de la autoreproducción, pues se preguntaba si una máquina automatizada podía programarse para que hiciera una reproducción de sí misma, y que esta segunda copia tuviese la misma capacidad de reproducirse y así sucesivamente. Von Neumann, razonaba sobre el comportamiento del humano y de los computadores y llegó a declarar en la conferencia “Las computadoras y el cerebro” para la Universidad de Yale, que ambos simplemente son distintos tipos autómatas.
Realizó contribuciones al igual que Albert Einstein, en el Proyecto Manhattan, su mayor contribución fue diseñar el método de implosión que se puso en práctica en Alamogordo, ejecutando la primera detonación de una bomba atómica, y que se usó nuevamente en Nagasaki.
Su personalidad estaba representada por diferentes facetes, su intelecto y comprensión, no mellaban su capacidad de divertirse, llegando a ser un hombre de gran influencia.
En su vida privada, tuvo dos esposas ambas de origen Húngaro, tuvo dos hijas, una con cada mujer. Von Neumann muere el 8 de febrero de 1957 a los 53 años de edad, debido a un avanzado cáncer de próstata, supuestamente originado por la exposición a la radiación en el proyecto de la bomba nuclear.
Arquitectura de Von Neumann
En la actualidad la mayor parte de los sistemas de programación, están fundamentados en la arquitectura desarrollada por Von Neumann en su proyecto del EDVAC. Dicha estructura tiene como característica principal que el programa que ejecuta el sistema computarizado, se encuentra contenido dentro del mismo sistema.
Composición
Los componentes que forman la arquitectura de Von Neumann van desde la Unidad Central de Proceso, común mente conocido por sus siglas en inglés como CPU, pasando por la memoria principal, el controlador de entrada y salida, hasta llegar a los Buses del sistema, los cuales se dividen en bus de datos, de direcciones y de control.
La Unidad Central de Procesamiento
El CPU es la unidad en el que se ejecutada la información según las direcciones que le indique el programa del sistema, éste realiza una consecuencia de pasos, accediendo a la memoria de forma continua para procesar la siguiente instrucción a realizar, lleva a cabo el comando que se le ordena y empieza de nuevo, formando un proceso repetitivo. Los microprocesadores, son igualmente unidades centrales dispuestas en un circuito integrado.
Los “central processing unit” están compuestos por:
La unidad aritmético lógica, ALU por sus siglas en inglés, esta unidad tiene el trabajo de ejecutar las operaciones matemáticas básicas y las de lógica con las características dadas. Generalmente las instrucciones con las que trabaja, al igual que las respuestas operativas se registran en el CPU.
Otro de los elementos del CPU es el banco de registro, este suministra un lugar para almacenar las instrucciones con las cuales la unidad central procesa la información. Para que inicie la operatividad del sistema, las series de datos se tienen que descargar con información procedente de la memoria central, en el momento que sea necesario liberar espacio en el ALA con la finalidad de insertar nueva información, su contenido debe registrarse en la memoria central. (Ver artículo: Alan Turing)
Gracias a Neumann se descubrió que realizar las operaciones con los datos contenidos en el ALU acorta l tiempo de procesamiento, más que cuando se trabaja directamente desde la memoria central, por ello lo ideal es tener un banco de registro más grande y así se evitaría trasvasar continuamente los datos a la memoria central y la labor se haría mucho más rápido.
Los registros de datos más utilizados son, registros de datos, estos almacenan la información con la que se realiza la tarea, registros de direcciones, almacenan las direcciones de memoria, y registros de control, con estos se controla el estado en el que se encuentra la Unidad Central de Procesamiento.
La unidad de control
Este elemento tiene la tarea de examinar las acciones elementales que se le da al computador a fin de que efectúe una determinada operación y que se encuentran guardadas en la memoria central, Además se encarga de generar la señalización de control requerida para, como su nombre lo indica, controlar y ajustar los demás elementos de las unidades que operan en un quipo, con el objetivo de llevar a cabo las acciones examinadas.
Dentro de los componentes que se encuentran en la unidad de control están: el contador de programa, el registro de instrucciones, el decodificador, encargado de interpretar la instrucción a ejecutar, el reloj y el secuenciador.
Las unidades de control más usadas son la cableada y la microprogramadas.
Memoria principal
La memoria principal tiene el trabajo de almacenar toda la información para la cual la Unidad Central de Procesamiento. La Unidad Central tiene la capacidad de analizar y escribir series de varios estados de memoria que componen el espacio de almacenamiento principal.
La memoria principal tiene menor espacio de almacenamiento que la memoria secundaria, sin embargo trabaja con mayor rapidez. En los tiempos actuales la memoria principal se ejecuta a través de circuitos integrados; la mayoría de las memorias principales dispuestas en los sistemas de programación generalmente están conformadas por dos secciones distintas: Memoria RAM, Memoria ROM.
Controlador de entrada y salida
Para que el sistema de procesamiento del computador se comunique correctamente con el mundo externo, es de vital importancia que exista un componente que realice el control de información que ingresa y que sale del sistema.
Esta relación con el mundo se realiza a través de varios periféricos, estos últimos se pueden separar en Periféricos de entrada, que sirven para ingresar información en el sistema desde componentes externos como el ratón y teclado; el otro periférico es el de salida, sirve para la salida de la información del sistema por ejemplo el monitor y la impresora.
Dentro de los tres métodos más usados para el gestionamiento del controlador está el Polling o espera activa, le sigue el Uso de interrupciones y por último la Memoria de Acceso Directo, o comúnmente conocido como DMA.
Buses del sistema
Los buses del sistema son las conexiones que ejecutan la movilidad en la información a través de los diferentes componentes de la arquitectura de Von Neumann
En el área tecnológica un bus es una sucesión de pistas que transmiten información entre las distintas unidades; la cantidad de líneas que posee un bus está correlacionada con la cantidad de bits que se pueden transferir a la par. Los buses normalmente son dispositivos sincronizados que trabajan marcados por un reloj. Generalmente mediante un ciclo de reloj se comunica una información concreta, dependerá la cantidad de bits según el ancho del bus, asimismo hay tipos de bus que ejecutan dos tareas en cada ciclo de reloj.
Dentro de los tipos de buses se encuentran, el bus de datos, encargado de transportar los datos, el contenido de dichos datos abarcan la información que se encuentra en procesamiento o las direcciones del programa que está desarrollándose; recordando que en el modelo de Von Neumann el programa se encuentra dentro del sistema cifrado del computador como una información. La anchura del bus de datos se mide en bits e indica la magnitud de la escritura del sistema, normalmente esta dimensión se precisa en ocho, dieciséis, treinta y dos o sesenta y cuatro bits.
El bus de direcciones es aquel que funciona para señalar de donde sale y adonde entran los datos. En este bus se muestra la ubicación de memoria a la cual se accede en cada instante. En este caso la anchura, medida en bits de igual manera, indica el tamaño de la capacidad de memoria que se direcciona.
Por último se encuentra el bus de control, este suministra la señalización para organizar las acciones en los distintos componentes del sistema.
Ventajas y desventajas
Máquina de Von Neumann
Entre los años 1948 y 1948 Von Neumann plantó una idea que capturó gran interés, un concepto teórico que se basa en una máquina autómata autorreplicante. (Ver artículo: Agatha Christie)
Suponiendo que se quiere expandir la civilización a través de toda la enormidad de la galaxia, sin embargo existe una gran limitante, esta es la velocidad de la luz, puesto que comparando este factor con el tiempo de subsistencia de una determinada especia y el tiempo en el que esta puede adaptarse resulta casi imperceptible. Pero según el planteamiento de Neumann, puede que exista una posible solución.
Se enviaría una maquina al espacio que tenga la capacidad de descubrir un lugar para quedarse, sustraer materia y energía de los minerales y elaborar una reproducción de sí misma. Esta primera fabricará un duplicado, entonces aumentaría la cantidad de máquinas trabajando, como resultado cada una creará otra copia de sí misma y así sucesivamente.
Como consecuencia llegara el día en que la gran cantidad de máquinas autónomas permitirá continuar explorando otras zonas del espacio, descubriendo otros lugares en donde se repetiría el proceso, originando una expansión que crece más rápido con el tiempo y finalmente dominaría la galaxia.
Esta teoría planteada por el distinguido matemático es algo mucho más complejo al momento de llevarlo a la realidad, sin embargo un buen ejemplo de este mecanismo está contenido en los virus informáticos, ya que estos se basan en un proceso de autorreplicación, adentro de un ambiente analógico, en el cual ingresan, copian, se duplican y se realiza de nuevo la operación.
Aportaciones
La más grande aportación de Neumann se encuentra en el área de la informática. En el año de 1944 no existían tantos proyectos para la creación de ordenadores en EE.UU, dentro de los expertos que se encontraban desarrollando dichos proyectos en la Universidad de Harvard Howard Aiken, en la Universidad de Columbia estaba Jan Schilt y trabajando en la Universidad de Pennsylvania se encontraban Presper Eckert y John W. Mauchly. A pesar que Von Neumann se había puesto en comunicación con Howard Aiken, Presper Eckert y John W. Mauchly, y había estudiado sus computadoras, únicamente trabajó de lleno con la última, nombrada ENIAC, “Electronic Numerical Integrator and Computer”, en español “Computador e Integrador Numérico Electrónico”, la cual había sido relegada por lo sociedad de informáticos y matemáticos de la época, gracias al soporte de Von Neumann es que entonces se posiciona para llegar a ser un diseño de primera generación.
Paradójicamente, esta máquina tenía otro diseño semejante, sin embargo no tenía suficiente memoria, guardaba en ella apenas veinte palabras, y había otro proyeceto de mayor avance tecnológico cuya intención era construir un computador que pudiera ser más útil, mediante una operación en serie, esta se llamaba EDVAC, “Electronic Discrete Variable Arithmetic Computer”, a diferencia de la ENIAC esta trabajaba con un sistema binario.
Si bien von Neumann era reconocido por su talento, su reputación tenía dos caras, y objeto de una imprudencia con la prensa y de haber firmado la autoría el sólo de la EDVAC en un bosquejo del esquema, el trabajo investigativo y experimental se volvió público perdiendo la confidencialidad, puesto que se convirtió en un suceso controversial, pues los científicos Mauchly y Eckert se indignaron al ver que no se les había reconocido el crédito de su aporte en el proyecto, aunado a esto les impidieron seguir sus labores en la Universidad de Pennsylvania al no querer otorgarles los derechos del ENIAC al instituto.
Al momento de iniciar su proyecto para llevar a cabo el diseño y ejecución de su computadore, Von Neumann tuvo muchos inconvenientes económicos una vez finalizada la guerra, por lo que diversas instituciones le dieron oportunidad de empleo. Sin embargo nunca abandonó su cargo en el de Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, rechazando todas las propuestas, posteriormente pudo conseguir el financiamiento para su proyecto, gracias a la Universidad de Princeton y a la RCA. (Ver artículo: George Orwell )
El objetivo fue elaborar una máquina muy parecida a la EDVAC pero con más potencia y que trabajara con mayor rapidez. El computador IAS se construyó en la década de 1950 y su formato se ha planteado como fundamento para la gran parte de las máquinas actuales, a pesar que la arquitectura que hoy está nombrada en su honor originalmente no es fruto de su intelecto.
Los aportes más importantes en el área de la computación fueron: La idea de usar los monitores para que se pudiese ver la información, la creación del diagrama de flujo, el concepto de las máquinas autómatas, innumerables métodos de cómputos algebraicos, fue colaborador en la formulación de la teoría de juegos, base de la metodología de Montecarlo, también ayudó en la redacción del texto «Cybernetics: Or control and Communication in the Animal and the Machine» en el que expone la forma en que la inteligencia electrónica tendría la capacidad de realizar trabajos humanos de distintos niveles de dificultad.
En 1954, específicamente en octubre, inició su membresía en la Comisión de Energía Atómica, trasladándose a Washington, E.C junto a su entonces esposa. Al mismo tiempo, recibía consultas para la IBM (International Business Machines), momento en el que conoce a John Backus y su proyecto FORTRAN, von Neumann realizó el diseño teniendo en mente que Backus requería un sistema de programación eficaz, logrado únicamente mediante un lenguaje binario.
Diagrama Neumann y su funcionamiento
El diagrama de Von Neumann es la metodología que normalmente se usan en las máquinas que almacenan las acciones elementales para que realice una determinada tarea y los datos necesarios para que esta se ejecute.
Hoy en día casi todas los computadores se fundamentan en la arquitectura de Von Neumann, a pesar que incluyan otros dispositivos extra. (Ver artículo: Maquiavelo)
Las computadoras que poseen esta arquitectura se definen por ejecutar o emular las siguientes funciones:
Encender la computadora y conseguir la próxima instrucción obtenida de la memoria principal en la ubicación señalada por el contador de programa y se almacena en el registro de las acciones indicadas; aumentar la capacidad del contador de programa de la dimensión de la tarea para escribir la próxima; descifra la tarea a través de la unidad de control, misma que se encarga de coordinar todos los demás elementos del computador para ejecutar un trabajo determinado.
Finalmente se realiza la instrucción, la misma tiene la posibilidad de cambiar la cifra del contador del programa, formando de esta manera operaciones que se repiten consecutivamente, el contador también varía cuando este cumple un condicionamiento aritmético, logrando que la máquina pueda decidir, alcanzando indefinidos niveles de complejidad.