The stored-program computer architecture

Par Laura Whitfield

À l'été 1945, John von Neumann rédigea en quelques semaines un document de cent une pages qui devint le plan de tous les ordinateurs de la planète. Le « First Draft of a Report on the EDVAC » décrivait une machine où le programme et les données qu'il traitait résidaient dans la même mémoire, dans le même langage binaire, de sorte qu'un ordinateur pût traiter ses propres instructions comme des données, les modifier et boucler. Le concept de programme enregistré paraît inévitable aujourd'hui ; à l'époque, des machines comme l'ENIAC se câblaient à la main pour chaque nouveau calcul, et l'idée qu'un logiciel pût être chargé comme une cargaison dans une mémoire uniforme fut une détonation conceptuelle. Von Neumann, né János Neumann à Budapest en 1903 dans une riche famille de banquiers, était déjà le plus redoutable mathématicien de sa génération : enfant prodige publiant son premier article à dix-huit ans, fondateur de la théorie des jeux, pionnier des fondements mathématiques de la mécanique quantique, figure centrale du projet Manhattan où il contribua au mécanisme d'implosion de la bombe au plutonium. Il rédigea le rapport sur l'EDVAC après de longues conversations dans le train avec les ingénieurs construisant l'ENIAC à l'université de Pennsylvanie, et si les idées étaient en partie les leurs, son exposition cristalline rendit l'architecture universelle ; des ingénieurs de Manchester à Moscou construisirent des « machines de von Neumann » d'après sa description. À l'Institute for Advanced Study de Princeton, il construisit ensuite la machine IAS, prototype dont la conception logique fut copiée, légalement ou non, dans les premiers ordinateurs d'IBM, de la RAND Corporation et d'une demi-douzaine de pays. L'architecture avait un défaut qu'il reconnut : le « goulot de von Neumann », le canal unique entre processeur et mémoire qui bride encore les ordinateurs aujourd'hui. Il mourut d'un cancer à Washington en 1957, à cinquante-trois ans, après avoir aussi fondé le champ des automates cellulaires et esquissé la théorie des machines autoreproductrices. Chaque téléphone dans chaque poche est une machine de von Neumann, allant toujours chercher instructions et données dans une mémoire unique, exécutant encore son brouillon de 1945. Le rapport sur l'EDVAC n'était qu'un fil d'un esprit qui semblait opérer dans plusieurs sciences à la fois. En 1944, il avait publié avec l'économiste Oskar Morgenstern la « Theory of Games and Economic Behavior », fondant la théorie des jeux et donnant à la guerre froide son langage mathématique de la stratégie. Sur le projet Manhattan, il résolut le problème de l'implosion, concevant les lentilles explosives qui comprimaient le cœur de plutonium, un travail que ses collègues jugèrent miraculeux. Après la guerre, il tourna les nouveaux ordinateurs vers la science elle-même : en 1950, sur l'ENIAC, son équipe exécuta la première prévision météorologique numérique, fondant la météorologie computationnelle. La machine IAS, achevée en 1952, fut délibérément conçue pour être copiée, et ses plans logiques furent distribués librement ; il en résulta une famille de « machines IAS » dans les laboratoires nationaux et les entreprises du monde entier, ancêtres directs des ordinateurs commerciaux d'IBM. Dans ses dernières années, déjà malade, il écrivit sur les automates autoreproducteurs, prouvant mathématiquement qu'une machine pouvait contenir les instructions pour se construire elle-même, un résultat qui anticipait à la fois les virus informatiques et la théorie de la réplication de l'ADN. Il siégea à la Commission de l'énergie atomique, reçut la médaille présidentielle de la Liberté et mourut à l'hôpital Walter Reed en 1957, travaillant, selon certains, sur des problèmes classifiés jusqu'au bout.

Impact sur la civilisation

L'architecture à programme enregistré est la raison pour laquelle le logiciel existe comme industrie. En plaçant les programmes en mémoire à côté des données, von Neumann sépara la machine de sa tâche : un même matériel put devenir tour à tour calculatrice, machine à écrire, central téléphonique, studio de cinéma. Cette séparation créa toute l'économie du logiciel, les magasins d'applications, le nuage, et le postulat que la valeur d'un ordinateur réside non dans ses circuits mais dans les instructions infiniment remplaçables qu'il contient. Elle créa aussi l'informatique comme discipline distincte du génie électrique, car les programmes devinrent des objets d'étude mathématique à part entière. Le goulot qu'il nomma façonne encore la conception des puces quatre-vingts ans plus tard : la marque d'une architecture si fondamentale que ses limites sont des lois de la nature pour les ingénieurs. L'influence de von Neumann traverse des domaines qui touchent à peine aux ordinateurs. La théorie des jeux refit l'économie, la biologie de l'évolution et la stratégie nucléaire ; ses travaux sur les mathématiques de la mécanique quantique demeurent le formalisme standard enseigné aux physiciens ; ses automates autoreproducteurs fondèrent l'étude de la vie artificielle. L'ordinateur à programme enregistré n'est donc que la plus visible de ses architectures ; en dessous se trouve une habitude d'esprit, trouver la structure formelle, construire la machine universelle qui la porte, qui refit une demi-douzaine de sciences.