John von Neumann: del proyecto Manhattan a la arquitectura de Princeton

Antes de que los ingenieros eléctricos inventaran y diseñaran, muchos matemáticos estaban allanando el camino hacia territorios inexplorados. Un ejemplo brillante de esto son las obras y la vida de John von Neumann.

John von Neumann. Imagen utilizada por cortesía de Alan W. Richards y Brittanica

John von Neumann nació el 28 de diciembre de 1903 en Budapest, Hungría. Desde muy joven, von Neumann fue un prodigio debido a su habilidad avanzada para calcular grandes ecuaciones y memorizar listas extensas de números. A pesar de sus habilidades matemáticas, obtuvo su primer título en ingeniería química, aunque luego volvió a su amor por las matemáticas cuando obtuvo su doctorado en 1928.
Finalmente, durante un momento políticamente estresante en Europa, von Neumann recibió una invitación de Princeton para visitarlo, lo que lo llevó a desempeñar su papel de por vida como uno de los primeros seis profesores fundadores del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de matemáticas.

Trabajar en el Proyecto Manhattan

Durante la Segunda Guerra Mundial, von Neumann fue uno de los pocos elegidos para trabajar en el Proyecto Manhattan, específicamente en Los Alamos. Su papel en el proyecto fue calcular las ondas de choque explosivas de la bomba atómica Fat Man. Para realizar esos cálculos, utilizó una máquina tabuladora mecánica especializada de IBM.

Las primeras máquinas de cálculo de IBM que se utilizaron en Los Alamos. Imagen utilizada por cortesía de la Atomic Heritage Foundation

Utilizando la máquina de IBM, von Neumann trabajó en el diseño de implosión de la bomba atómica de Seth Neddermeyer. El diseño de Neddermeyer requería una esfera hueca que incluía plutonio fisionable que podía implosionar simétricamente. Esta simetría era necesaria para que el plutonio alcanzara una masa crítica en el centro.

Una imagen de John von Neumann (izquierda) y Robert Oppenheimer (derecha) frente a la máquina IAS. Imagen utilizada por cortesía de Alan W Richards y CHM

En este momento, las computadoras tendían a ser principalmente impulsadas por humanos y los humanos realizaban la mayoría de los tediosos cálculos en una calculadora mecánica, que generalmente fallaba después de un uso extensivo. Este problema hizo que von Neumann considerara el uso de dispositivos mecánicos que pudieran manejar cálculos más generales y lo llevó a diseñar una arquitectura para tal dispositivo, que luego se convirtió en la arquitectura de von Neuman (o Princeton).

Arquitectura de Von Neumann (Princeton)

Después de la guerra, cuando von Neumann estaba creando su arquitectura de computadora, se inspiró en la relación entre una computadora y el cerebro, es decir, el lenguaje de las matemáticas y el sistema nervioso. Esta forma de pensar conduce al concepto de la arquitectura de von Neumann que incluye memoria, una CPU e interfaces de E / S.

Un diagrama de la arquitectura de von Neumann. Imagen utilizada por cortesía de NC Lab

El trabajo de von Neumann con la informática dependía en gran medida de Alan Turing, otro matemático de Princeton. Aunque von Neumann quería crear la primera computadora, la invención de ENIAC (Computadora e Integrador Numérico Electrónico) ya había ocurrido.
Sin inmutarse, von Neumann pasó a crear la primera computadora IAS, que se basó en su arquitectura. von Neumann decidió que una característica importante de la computadora IAS era que los avances futuros serían de dominio público. Dado que esta innovación estaba abierta al público, impulsó la creación de computadoras y se basó en la creación original.

El cuello de botella de von Neumann

Aunque revolucionaria en ese momento, la arquitectura de von Neumann tiene sus defectos. El cuello de botella de von Neuman (VNB) es cuando un sistema informático no tiene una tasa de transferencia de datos adecuada entre la CPU y la memoria. Este cuello de botella se produce porque la CPU debe estar inactiva mientras el sistema accede a la memoria. Una forma de superar este efecto es integrar la memoria y los datos en una sola unidad, permitiendo así que los datos se almacenen y utilicen al mismo tiempo.

Arquitecturas informáticas con (a) una estructura de von Neumann y (b) una estructura que no es de von Neumann. Imagen utilizada por cortesía de Qiao-Feng Ou, et al.

Aunque el trabajo de John von Neumann está dejando de utilizarse en algunas aplicaciones, no hay duda de que sus contribuciones a la ingeniería han ayudado a llevar la informática a donde está hoy.

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