最伟大的10位计算机科学家的核心观点（上篇）

计算机科学探索信息处理和系统设计

计算机科学探索信息处理和系统设计。计算机科学是研究信息和信息处理过程，以及它们与计算机系统的设计、实现和应用的科学。它不仅仅关注计算机本身的硬件设备，更重要的是涉及到软件系统的理论基础、设计、开发和应用。计算机科学包含多个子领域，包括算法和数据结构、操作系统、计算机网络、数据库系统、人工智能、软件工程。因此通才讲堂的第十三课是计算机科学课。

图灵：计算理论

一台计算机理论上长什么样？

艾伦·图灵，英国人，20世纪最杰出的计算机科学家之一，他的工作为计算机科学领域奠定了基石。

图灵1912年出生于英国伦敦。他在剑桥大学学习数学，并在那里展现出了他非凡的数学才能。图灵在1936年发表了他的里程碑式论文，首次提出了图灵机的概念。二战期间，图灵加入了英国政府的密码学工作，他在破解德国军方的恩尼格玛密码机中发挥了关键作用，极大地缩短了战争时间，拯救了无数生命。战后，图灵继续在计算机科学和人工智能领域进行研究，直到1954年因为当时英国的同性恋法律而不幸自杀，结束了他辉煌而短暂的一生。

图灵的理论主要围绕图灵机的概念展开，这是一种抽象的计算模型，用以描述算法或计算过程如何在逻辑或数学上被执行。图灵机由一系列状态、一个无限长的纸带（用作存储介质）和一个读写头组成。纸带被分成连续的格子，每个格子可以写入一个符号。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态，输出信息到纸带的方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。

图灵通过提出“图灵机”的概念，定义了算法执行的理论模型，这一模型成为了理解和设计现代计算机系统的核心。图灵机不仅展现了计算过程的普遍性，还清晰地描绘了可计算性的界限，即哪些问题是可以被算法解决的，哪些则不可以。

图灵通过这个模型证明了停机问题在原理上是不可解的。假设存在一个程序，可以判断任何其他程序在给定输入下是否最终停止运行。如果这样的程序存在，我们就可以构造一个“悖论程序”，当且仅当该程序判断自己会停止时才无限运行。这就形成了一个逻辑上的矛盾。

此外，图灵在人工智能领域也提出了开创性的思想，包括著名的“图灵测试”，用以评判机器是否具有智能。图灵的理论和思想极大地推动了计算机科学的发展，使他成为了该领域公认的先驱和可计算性理论之父。

冯·诺伊曼：存储程序概念

修改程序不再需要重新配置硬件！

约翰·冯·诺伊曼，美籍匈牙利人，20世纪最具影响力的计算机科学家之一，他的工作为计算机科学和多个其他学科奠定了基础。

冯·诺依曼生活在20世纪中叶的美国，这是一个科技飞速发展的时期，尤其是在第二次世界大战及其后的冷战背景下，计算技术的发展受到了前所未有的重视。在这个时期，计算机从最初的机械式计算设备转变为能够执行复杂计算和任务的电子机器。冯·诺依曼在其职业生涯中参与了多个重要项目，包括在第二次世界大战期间参与美国原子弹的研发（曼哈顿计划），以及在战后参与了早期计算机的设计工作。

冯·诺伊曼的理论核心在于他对计算机架构的贡献，特别是存储程序概念的提出。这个概念，也常被称为“冯·诺依曼架构”，是现代计算机设计的基础。在这种架构中，计算机的程序和数据都存储在同一内存空间内，程序由一系列指令组成，这些指令可以被计算机顺序读取和执行。此前，计算机程序通常被硬编码在机器里，修改程序需要重新配置或重建硬件。冯·诺依曼架构的引入，使得计算机能够通过读取存储在内存中的指令来执行操作，极大地提高了计算机的灵活性和功能性。

例如，一个简单的冯·诺依曼架构计算机可能包含用于加法的指令。如果要执行加法操作，只需将加法指令及其操作数（如数字2和3）存储在内存中。计算机读取并执行这些指令，将2和3相加，然后将结果（5）存储回内存。

香农：信息论

如何在有噪声的通道中传输信息？

克劳德·香农，20世纪美国数学家和电子工程师，被誉为“信息论之父”。他的开创性工作为现代通信技术和数据处理领域奠定了理论基础。

香农在麻省理工学院完成学业后，加入了贝尔实验室，进行了大量的通信技术研究，包括他的开创性信息论工作。二战期间和战后的几十年，随着计算机、电子学和通信技术的进步，对处理和传输大量信息的需求日益增长。香农的信息论为这一时期的技术革新提供了理论支撑，特别是在数字化处理和信息传输效率方面。

香农的信息论是通信领域的一大革命，它提出了量化信息的方法，并分析了在给定的通信渠道中传输信息的最大可能效率。信息论的核心概念之一是“比特”（bit），作为信息量的基本单位，比特代表了一个二进制决策（是或否、0或1）。香农的理论展示了如何在有噪声的通道中有效传输信息，并计算了在特定条件下可以达到的最大通信速率，即香农极限。这一理论不仅适用于电子通信，也适用于所有形式的数据传输，包括无线通信、数据存储和检索。

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