フォン・ノイマンについて（7） 電子コンピュータの開発

　本の10-2-2「電子計算機の出現」で述べているように、アーサイナス大学の物理学教授ジョン・モークリーは電子工学に強い興味を持っており、1941年頃に太陽黒点周期の気象への影響を調べるために、調和解析機（Harmonic Analyzer）という一種のアナログコンピュータを開発していた。彼はペンシルバニア大学電気工学科のムーア校にいた優れた電気技術者だったプレス・エッカートと知り合いになった。彼らは相互のアイデアを交換して電子式微分解析機を共同で開発することにした。

　この開発は、計算機を砲弾の弾道計算に使いたい陸軍によって、ペンシルバニア大学ムーア校のプロジェクトとして認められることになった。陸軍は支援のために数学者ハーマン・ゴールドシュタインをムーア校へ派遣し、1944年に彼らによって初の汎用の電子式計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）が産声を上げた[1]。しかし、ENIACの大きな欠点はプログラム内蔵の機能がないことだった。つまりこの装置において、プログラムの役割は外部配線が担っていたので、新しい計算をするたびに操作者はケーブルをつなぎ換え、スイッチを入れ直し、ダイヤルをいじり、周辺装置を組み替えなければならなかった。

エニアック

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d3/Glen_Beck_and_Betty_Snyder_program_the_ENIAC_in_building_328_at_the_Ballistic_Research_Laboratory.jpg

　1944年8月に、フォン・ノイマンはアバディーン駅のホームでゴールドシュタインと偶然に知り合いになった。その際に彼はゴールドシュタインからENIACのことを初めて聞き、その瞬間にENIACに夢中となった。彼は高速での計算が可能になれば、さまざまな分野の非線形偏微分方程式を数値的に解くことができると考えていた。そうなれば、さまざまな分野に全く新しい革新をもたらすことを彼は知り抜いていた。

　フォン・ノイマンは素早く電子コンピュータの本質を理解し、ENIACの演算回路の改良とともに、次に計画されていた計算機EDVACの性能を格段に上げるため新しい構想を練り上げた。彼はENIACを知ってわずか2週間でプログラム内蔵型コンピュータの概念を作り上げ、翌年3月にはコンピュータの改善について有名な「EDVAC報告書の一次稿」を書き上げた。それには現在のコンピュータの基本となっている中央計算部、中央制御部、メモリ部などの構成が整理され、プログラム内蔵の考えが完全に確立されていた[2]。

　ところが、フォン・ノイマンは名誉や金銭的な欲得に薄く、科学の進歩のためには新しい情報を多くの研究者と共有すべきと考えていた。そのため、電子コンピュータの開発を自負して特許を取得しようとしていたエッカートとモークリーとは袂を分かつこととなった。エッカートとモークリーはムーア校を去って会社を興してUNIVACの開発を開始し、ゴールドシュタインは、高等研究所のフォン・ノイマンの元へ行った。

　完成したENIACはペンシルバニア大学からアバディーンにある軍の弾道研究所へ移送され、その際にフォン・ノイマンが内蔵メモリを部分的に追加するなど多少の改修を行ったという。そして1945年末にロスアラモス研究所からの依頼によって、原子爆弾の改善を図るための初めての実用的な計算に使われた。このENIACは、本の10-4-2「順圧モデルを使った初めての数値計算」で述べるように、後にフォン・ノイマンが組織した気象プロジェクトでも使われることとなる。

　フォン・ノイマンは、1945年にプリンストンの高等研究所（IAS）でENIACの後継の独自の新型コンピュータ開発のためのプロジェクトである電子コンピュータプロジェクト（Electronic Computer Project: ECP）を立ち上げた。これは初めて2進法を用いてプログラム内蔵方式で条件付きループが使えるコンピュータを製作するという画期的なものだった。この夢のようなプロジェクトのために、彼は持ち前の説得力でたちまち高等研究所と軍などから30万ドルという莫大な資金を獲得した。これはフォン・ノイマンだからこそできたことだった。この時の電子コンピュータの開発目的には、原子爆弾の改良と気象予測が含まれていた。

　フォン・ノイマンは、1946年から1951年までの電子コンピュータプロジェクトに関する報告書を全て公開した[3]。先ほどの「EDVAC報告書の一次稿」も公開され、この報告書に基づいて、1949年にイギリスのケンブリッジ大学がEDSAC（Electronic Delay Storage Computer）を完成させたのをはじめとして、世界各地でこの報告書に基づいた電子コンピュータが次々に産声を上げることとなった[2]。

　そして1951年に完成した高等研究所の電子コンピュータ（IASマシン）は、既に開発されていた他のどのコンピュータより速かった[3]。後述するように、ENIACで実質24時間かかった順圧モデルを用いた予報のための数値計算は、このIASマシンだと5分以内に終わる計算だった。この高速の計算は、気象学の分野では数値予報と気候モデルという全く新しい分野をもたらした。

　フォン・ノイマンの人望に基づいた説得力によって、電子コンピュータプロジェクトに必要な高額の開発資金を得ることができ、彼の数理学的能力によってこのプロジェクトで新しい論理回路を開発することができた。現在のコンピュータは、この「フォン・ノイマン・アーキテクチャー」と呼ばれている基本構成の延長線上にある。

（つづく）

 [1] ENIAC誕生60周年--2人の科学者が作った怪物コンピュータ（https://japan.cnet.com/article/20096729/）CNET Japan

[2]ノーマン・マクレイ、渡辺正、芦田みどり訳（1998）「フォン・ノイマンの生涯」、朝日選書

[3]Electronic Computer Project, Institute for Advanced Study, https://www.ias.edu/electronic-computer-project