ENVIRONMENT AND TECHNOLOGIES

Limitations of the von Neumann architecture computing machine: the numerical nature of computational algorithms

Authors

  • Viktor P. Chasovskikh https://orcid.org/0000-0002-9454-9824 Ural State University of Economics, 620144, Russia, Yekaterinburg, 8 Marta Str., 62/45
  • Elena V. Kokh https://orcid.org/0000-0001-7040-3380 Ural State University of Economics, 620144, Russia, Yekaterinburg, 8 Marta Str., 62/45
  • Andrey N. Vinokurov Ural State University of Economics, 620144, Russia, Yekaterinburg, 8 Marta Str., 62/45

How to cite

GOST Chasovskikh V. P., Kokh E. V., Vinokurov A. N. Limitations of the von Neumann architecture computing machine: the numerical nature of computational algorithms // Environmental Management Issues. 2026. Vol. 5. No. 2. P. 20-28. DOI: 10.25726/d6687-5538-5617-p
APA Chasovskikh, V. P., Kokh, E. V. & Vinokurov, A. N. (2026). Limitations of the von Neumann architecture computing machine: the numerical nature of computational algorithms. Environmental Management Issues, 5(2), 20-28. https://doi.org/10.25726/d6687-5538-5617-p

Abstract

Currently, most computing machines have a von Neumann architecture, which has a fundamental limitation: they are exclusively focused on numerical algorithms. The aim of this study is to analyze the numerical nature of computations on von Neumann computers, identify the fundamental limitations associated with this feature, and consider possible ways to overcome them. This study utilizes methods of theoretical analysis of the von Neumann architecture, a review of scientific works in the field of computer engineering and theoretical computer science, and a comparative analysis of classical and alternative computing paradigms. The authors analyze the problems arising when processing non-numeric information within the classical computing paradigm and consider promising directions for overcoming these limitations. The study confirms that the von Neumann architecture is based on the concept of universal computability, where any type of data is represented as numerical sequences. Key limitations of this approach are identified: the lack of semantic interpretation of data, the inability to qualitatively compare heterogeneous quantities, and problems with context. It is shown that some problems are algorithmically intractable on classical computers (for example, the «program halting problem» proved by Turing). Methods for overcoming these limitations are considered: multi-level emulation of non-numerical operations through specially developed numerical algorithms; development of alternative computing paradigms; creation of hybrid computing systems. It is shown that modern computers overcome these limitations through multi-level emulation of non-numerical operations; however, this approach does not solve the fundamental problems. Neuromorphic and quantum computing, memristor systems, and hybrid architectures are considered as promising alternatives. The need to develop new computing paradigms capable of more efficiently processing non-numerical information and solving problems intractable within the classical computing model is substantiated.

Keywords

von Neumann computing data constraints semantics halting problem

References

Буряков А. М., Жемеров Е. И., Ильин Н. А. От биологических нейронов к нейроморфным чипам: введение в новые горизонты искусственного интеллекта. М.: Мир науки, 2024. 32 с.

Бхуян Ш., Исаченко Т. Генеративный ИИ: с обучением больших языковых моделей (LLM) для джунов / пер. с англ. О. И. Перфильев. М.: Бомбора, 2025. 320 с.

Верещагин Н. К., Успенский В. А., Шень А. Колмогоровская сложность и алгоритмическая случайность. М.: МЦНМО, 2013. 576 с.

Глушков В. М. Основы безбумажной информатики. М.: Наука, 1987. 552 с. URL: https://djvu.online/file/xHvPOAsJMYw6g (дата обращения: 10.03.2026).

Калюд К. С. Проблема остановки в теории алгоритмов, и не только. М.: ДМК Пресс, 2024. 264 с.

Мартин Р. Чистый код: создание, анализ и рефакторинг. СПб.: Питер, 2025. 464 с.

Менабреа Л. Ф. Набросок Аналитической машины (1843) // Идеи, определившие облик информатики: классические статьи по компьютерным наукам / под ред. Г. Р. Льюиса; пер. с англ. А. А. Слинкина. М.: ДМК Пресс, 2023. С. 35–53.

Оливейра А. Цифровой разум: как наука меняет человечество. М.: Дело, 2022. 441 с.

Петцольд Ч. Читаем Тьюринга: путешествие по исторической статье Тьюринга о вычислимости и машинах Тьюринга. М.: ДМК Пресс, 2023. 442 с.

Принс С. Машинное обучение: от основ до продвинутых моделей / пер. с англ. В. М. Беленковича. М.: Эксмо, 2025. 608 с.

Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход: в 3 т. 4-е изд. М.; СПб.: Диалектика, 2021–2022.

Рашка С. Строим LLM с нуля. СПб.: Питер, 2026. 384 с.

Соснин П. И., Валюх В. В. Моделирование рассуждений в человеко-компьютерной деятельности: учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2018. 145 с.

Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. СПб.: Питер, 2018. 816 с.

Тьюринг А. М. Игра в имитацию: о шифрах, кодах и искусственном интеллекте. М.: Родина, 2019. 190 с.

Фон Нейман Дж. Первая редакция отчета о EDVAC (1945) // Идеи, определившие облик информатики: классические статьи по компьютерным наукам / под ред. Г. Р. Льюиса; пер. с англ. А. А. Слинкина. М.: ДМК Пресс, 2023. С. 127–147.

Хмелевская А. В. Основы теории информации и кодирования: учебное пособие. М.; Вологда: Инфра-Инженерия, 2024. 196 с.

Часовских В. П., Усольцев В. А., Кох Е. В. Естественный и искусственный интеллект как инструмент преобразования данных: монография. Екатеринбург: Издательство АМБ, 2025. 352 с.

Черепенников В. В. Made at Intel: Сделано в Intel. М.: РуДа, 2024. 334 с.

Ягьяева Л. Т., Валеев М. Ю. Теория алгоритмов и программ: учебное пособие. Казань: КНИТУ, 2019. 116 с.

Issue

Section

ENVIRONMENT AND TECHNOLOGIES
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 6 7 8 9 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.