谈 为什么大脑的能耗这么低 (计算更智能 / 高效)?

admin9个月前未分类39

为什么大脑的能耗如此低?这是一个引人深思的问题。
尽管大脑是人体相对耗能的器官,但与人类发明的计算机相比,大脑的能耗非常低。
大脑的海量神经元不仅可以完成超级复杂的计算,同时消耗的能量也非常少。
相比之下,一块家用电脑的CPU不仅能耗远高于人脑,还存在严重的发热问题。

为了探究大脑为什么能够更加高效地进行计算,我们需要从信息物理学的角度来审视这个问题。
首先,我们需要了解兰道尔极限。
兰道尔原理是关于信息计算能耗的理论下限的物理原理。
它认为,任何逻辑上不可逆转的信息操作过程,如擦除一个比特的信息或合并两条计算路径,一定伴随着信息处理设备或其环境的非载信息自由度的相应熵增。

而通常,熵的增加采取的形式就是能量输入到计算机中,被转化为热能,然后散发到环境中。
根据兰道尔极限,擦除1比特的信息最少需要消耗kTln2的能量,其中k是玻尔兹曼常数,T是温度。
在大脑与计算机的比较中,我们可以看到以下几个方面的差异。
首先,大脑以高度并行和分布式的方式处理信息,许多神经元和突触同时工作。

这种并行性允许高效的计算,无需频繁地重置或擦除个别信息位。
相比之下,传统计算机主要进行顺序处理,通常需要频繁的内存操作和位擦除,这导致了计算机会有更高的能源消耗。
其次,大脑中的神经元表现出稀疏连接,意味着并非所有神经元都同时活跃或相连。
这种稀疏性减少了不断重置或更新信息的需求,因为只有一小部分神经元参与特定任务。

相比之下,数字计算机可能需要更频繁地操作和更新内存中的数据,产生额外的能源成本。
此外,大脑具有自适应可塑性,可以根据学习和经验适应和重构其神经连接。
这种适应性使大脑能够针对特定任务优化其电路,而无需频繁擦除内存。
传统计算机具有固定的体系结构,通常需要更能源密集的内存更新来适应新任务。

最后,大脑中的神经元以模拟方式运作,允许连续的近似计算。
这降低了对高精度计算的需求。
而在数字计算机中,计算都以精确的二进制运算开展,因此它依赖于更精确的、更多的信息擦除操作。
相比之下,大脑能耗可能更低。

这些差异使得大脑在计算过程中需要更少的信息擦除,从而更节能。
尽管目前大脑和计算机的能耗离兰道尔极限还有一定距离,但从信息物理学的角度来看,大脑的高效能耗可能与其并行处理、稀疏连接、自适应可塑性和模拟处理等特点有关。
总而言之,尽管大脑与计算机在算力上无法相提并论,但大脑的神经网络计算更加高效。
大脑以高度并行和分布式的方式处理信息,具有稀疏连接、自适应可塑性和模拟处理的特点,这些特点使得大脑在计算过程中需要更少的信息擦除,从而节省能量。

这些特点可能是进化选择的结果,使大脑能够更长久地维持神经系统和人体的长期存在。
尽管目前大脑和计算机的能耗仍有差距,但从信息物理学的角度来看,大脑的高效能耗是一个令人惊叹的现象。

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