존 폰 노이만 ㅡ컴퓨터의 아버지

존 폰 노이만(1903~1957)

▣ 75년간 활용된 컴퓨터 구조의 창시자

현재 우리가 사용하는 컴퓨터 하드웨어의 기본구조인 '폰 노이만 구조

현대 컴퓨터의 근간이 바로 ‘폰 노이만 구조’다. 중앙처리장치나 기억장치의 구조를 의미하는 이것은 오늘날 컴퓨터 하드웨어가 됐다. 컴퓨터 과학의 아버지 앨런 튜링이 고안한 튜링기계를 구조적으로 완성한 것이다. 노이만은 맨해튼 계획에 참여할 당시 ‘전자계산기의 이론 설계 서론’이라는 논문을 발표했는데, 여기에는 초기 컴퓨터의 치명적인 문제를 해결할 방법이 담겨 있었다. 

당시 프로그래밍이 가능한 컴퓨터 에니악이 있었지만, 지금처럼 명령어를 집어넣는 형태는 아니었다. 덧셈을 하다 뺄셈을 하기 위해서는 컴퓨터 배선을 뽑아 다시 끼워야 했다. 다행히 노이만은 하드웨어를 재배치할 필요 없이 중앙처리장치 곁에 기억장치를 붙여 프로그램과 자료를 저장해두고, 실행 명령에 따라 순차적으로 작업을 불러와 처리할 수 있게 만들었다. 1945년 그가 처음 확립한 컴퓨터의 핵심적인 기본 구조는 지금까지도 일반 컴퓨터에 활용되고 있다.

 

폰 노이만의 연구에는 경계가 없었다. 

게임이론, 폰 노이만 구조, 미니 맥스 원리, 폰 노이만 대수, 폰 노이만 엔트로피 등 학문의 경계를 뛰어넘는 연구들이다.

그는 양자역학, 위상수학, 집합론, 해석학, 기하학, 경제학, 통계학 등 다양한 학문에 걸쳐 업적을 남겼다. 그는 일생 동안 150개의 논문을 남겼는데 순수 수학이 60편, 물리학 20편, 응용수학 60편이었다.

 

그는 경제학 이론인 게임이론을 경제학자 오스카 모겐스턴과 공동 창시했다. 이들은 1944년 경제학에 게임이론을 응용한 최초의 도서 ‘게임이론과 경제적 행동(Theory of Games and Economic Behavior)’을 출판했다. 이 책은 이후 경제학자 존 내시 등에 의해 발전 연구되며 게임이론 역사의 시발점이 된다.

 

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구체적이면서도 포괄적으로 존 폰 노이만의 컴퓨팅관련 작업들을 기술하고 있습니다. 아울러 컴퓨터가 처음에 어떤 식으로 사용되었는지를 엿볼 수 있다는 것도 현대 컴퓨팅이 어디에서 비롯되었는지는 존 폰 노이만의 발자취를 따라가다보면 선명하게 발견됩니다. 저자 : 윌리엄 어스프레이(2015)

 

폰 노이만의 천재성은 여기서 그치지 않는다. 컴퓨터 연구에 뛰어들어 이진법, 프로그램 내장 방식 등 컴퓨터의 기본적인 골격을 만들어내기도 한다. 컴퓨터를 이용해 기상예측을 처음 시도한 것도 폰 노이만이다.

신이 모든 지성을 폰 노이만에게 쏟아붓고 일찍 퇴근했다는 우스갯소리가 우습게만 들리지 않는 대목이다.

 

그는 응용수학에도 깊은 관심을 보였다. ‘과연 개인이 각자의 자리에서 최선을 다한다면 모두에게 최상의 결과가 나올까.’ 이는 바로 2명 이상이 전략을 갖고 각자 최고의 보상을 얻기 위해 벌이는 행위에 대한 이론인 게임이론이다. 노이만은 처음부터 모든 이득의 합계가 0으로 제한돼 있다고 생각했다. 그래서 이득을 얻기 위해 두 사람이 대립하고 있다면, 결국 내가 이익을 얻는 만큼 상대방은 손해를 보기 때문에 이익 간 비율이 가장 중요하다는 것이다. 그는 여기서 각자의 손실을 최소화하는 방법을 제시했다. 이후 게임이론을 연구하는 과정에서 노벨경제학상 수상자가 여러 명 배출됐으며, 지금까지도 매우 중요하게 활용되고 있다. 

▣ 맨하튼계획에 결정적인 조력자

                    일본 나가사키에 떨어진 원자폭탄 '뚱뚱이'의 심장부.

가운데 플루토늄 덩어리를 둘러싼 것이 노이만이 개발한 '고폭발성 렌즈'다(왼쪽). '고폭발성 렌즈'의 구조도. 가운데 보라색물질이 핵물질이고 그를 둘러싼 노란색이 '고폭발성 렌즈'다. [미국 로스알라모스 국립실험실, 위키피디아]

제2차 세계대전 당시 미국과 영국, 캐나다는 함께 매우 은밀한 프로젝트를 시작했다. ‘맨해튼 계획’, 즉 세계 최초로 핵무기를 개발하는 연구였다. 20세기 물리학계의 어벤저스가 참여한 만큼, 당대 최고 두뇌였던 노이만도 빠질 수 없었다. 노이만은 여기서 플루토늄을 이용한 원자폭탄의 원천 기술인 고폭발성 렌즈(볼록렌즈가 빛을 모아주듯 핵물질을 한곳에 집중시키는 장치)를 만들었고, 맨해튼 계획에 결정적인 도움을 줬다. 

1963년 ‘원자핵과 기본 입자에 관한 이론과 기본 대칭 입자의 발견’에 대한 공로로 노벨물리학상을 받은 물리학자이자 수학자인 <유진 위그너>에게 누군가가 질문했다. “당시 헝가리에서는 어떻게 그렇게 많은 천재가 배출될 수 있었나요?” 위그너는 의아해하면서 짧게 대답했다. “그럴 리가요. 천재는 오직 한 사람뿐입니다.” "그사람은 바로  폰 노이만입니다"

 

폰 노이만이 구상한 컴퓨터 주기억장치, 중앙연산장치 및 입출력장치의 전형적인 3 단계 구조 에드박(EDVAC)ㅡ1949

 

 

▣존 폰 노이만(1903~1957) 헝가리계 미국인, 미국의 수학자, 물리학자, 컴퓨터과학자, 경제학자

TIME 선정 20세기 가장 영향력 있는 인물 100안에 선정

 LIFE 선정 20세기 가장 영향력 있는 인물 100안에 선정

천재중의 천재는 흔하지 않다. 즉 천재가 꼽는 천재는 흔하지 않다는 말입니다.

 

천재들이 흔히 그렇지만 폰 노이만은 어릴 때부터 남달랐다고 합니다. 

폰 노이만은 부유한 은행가였던 아버지 덕분에 가정교사를 두고 영어,프랑스어,이탈리아아, 수학등

다양한 학문을 익히게 되고, 7개 국어를 모국어 수준으로 말 할정도로 탁월한 두뇌를 자랑했다고 합니다.

 

7세 때 8자리 숫자를 암산으로 계산했고, 8세에는 이미 미적분을 이해했다고 합니다.

그의 아버지는 이런 노이만의 능력을 자랑하는 것을 즐겼습니다. 

그의 파티에 초대된 수십명의 사람들의 이름과 전화번호를 말해주었는데 파티가 끝나고 집을 나설 때면

전화번호를 정확하게 기억해 냈다고 합니다.

 

이런 노이만이 기특한 아버지는 개인 도서관을 만들어 주기까지 하는데 노이만은 자신이 좋아하는 전집은

통째로 외우곤 했답니다. 특히 기억력과 관련해서는 유명한 일화가 많은데, 한 번 읽은 책은 수십 년이 지나도

글자 하나 틀리지 않고 그대로 외울 수 있었다고 합니다.

 

어느 날 그의 동료인 <허먼 골드스타인>은 노이만의 기억력이 얼마나 뛰어난지 궁금한 나머지 한 가지 부탁을 했는데,

바로 노이만이 어릴 적 읽었던 찰스 디킨스의 역사소설 ‘두 도시 이야기’를 암송하는 것이었다. 부탁의 말이 끝나기 무섭게 노이만은 빠르게 머릿속에 있는 글을 읽어나가기 시작했고, 골드스타인이 혀를 내두르며 그만하라고 할 때까지 한참을 정확하게 외웠다. 노이만의 재능을 접한 수학자가 감동한 나머지 눈물을 흘렸다는 일화도 전해질 정도다.

 

노이만이  참고했던 게 인간의 사고력이다. 인간은 생각할 때 뇌에 저장된 정보를 불러와 활용하고 다시 결과를 기록한다. 하지만 이러한 방식은 치명적인 단점이 있다. 중앙처리장치가 아무리 빨리 데이터를 처리하더라도 기억장치의 속도가 느리거나 데이터가 너무 많으면 전체적인 성능 저하가 일어난다.

 

밥을 빨리 많이 먹는 대식가라 해도 요리사가 음식을 천천히 제공한다면 결국 식사시간이 점점 길어질 수밖에 없다.

노이만은 이런 약점을 해결하고자 계속 고민했지만 1957년 54세 나이로 숨을 거두는 바람에 해답을 찾지 못했다.

맨해튼 계획에 참여했을 당시 방사선 과다 노출에 의한 췌장암이 원인이 된 안타까운 죽음이었다.