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Ha dato un contributo importante nei seguenti campi: fisica quantistica, teoria degli insiemi, informatica, economia e virtualmente in tutti i settori della matematica.
E' universalmente noto come il padre dell'omonima architettura dei calcolatori, impiegata in tutti i computer (non paralleli). Virtualmente ogni calcolatore per uso personale o domestico in commercio ma anche i microcomputer e i supercomputer è una macchina di von Neumann.
Pur agli albori dell'era del calcolatore, egli ha inventato il settore degli automi cellulari, costruendo sulla carta i primi esempi di automi auto-replicanti. Il termine macchina di von Neumann si riferisce anche alle macchine auto-replicanti.
Von Neumann provò che la più efficace maniera di svolgere operazioni complesse e su larga scala, come per esempio lo scavo della superficie lunare o di una cintura di asteroidi, possa essere portato a termine mediante macchine auto-replicanti, traeondo vantaggio dalla loro possibilità di crescita esponenziale.