Являются ли нейроны более энергоэффективными, чем транзисторы?

Неудивительно, что получить энергопотребление ячейки не так-то просто. Какова потребляемая мощность ячейки? делает различные оценки. Одна оценка для человеческой клетки

При чтении обратите внимание, что мощность измеряется либо в ваттах, либо в АТФ/сек. АТФ или аденозинтрифосфат — это молекула, которая хранит энергию в клетках. АТФ – это количество энергии, освобождающееся при удалении фосфатной группы.

Как указывал Мартин Модрак, мозг имеет$2\%$массы тела, но использует$20\%$своей энергии. Нейроны используют$80\%$этого$20\%$. Я оценю, что мозг$25\%$нейроны. Это означает, что нейроны используют примерно$32$раз больше энергии, чем типичная человеческая клетка, или

Что еще более удивительно, энергопотребление полевого МОП-транзистора не так просто, как можно было бы ожидать. И не все МОП-транзисторы одинаковы. Некоторые предназначены для высоковольтных импульсных источников питания. Руководство по расчету рассеиваемой мощности полевого МОП-транзистора в источнике высокой мощности приводит пример источника питания, в котором рассеяние$1.23 W$.

Но вы, вероятно, думаете о транзисторе, используемом в компьютере. Я нашел неподтвержденную приблизительную оценку в статье Если заменить каждый транзистор в современном процессоре старой вакуумной лампой, сколько энергии будет потреблять этот процессор? что мощность транзистора

Как отметил Жоао Мендес, энергопотребление напрямую связано с тактовой частотой. Это связано с тем, что большая часть энергии используется при переключении между 1 и 0. Это ограничивающий фактор тактовой частоты. Слишком большое энергопотребление означает слишком сильное повышение температуры чипа даже при хорошем охлаждении. Кроме того, для мобильных устройств он быстрее разряжает батарею.

Имейте в виду, что мозг и компьютер достигают огромной вычислительной мощности совершенно разными способами.

Типичный компьютер может использовать$10^{10}$МОП-транзисторы в ЦП и ГП и >$10^{11}$в большом банке оперативной памяти. Типичная тактовая частота >$10^9$Гц. Он может запускать сотни потоков «параллельно», используя$\approx 10$процессоры. От количества транзисторов ,

С другой стороны, мозг имеет около$10^{11}$нейроны Действительно ли в человеческом мозгу столько же нейронов, сколько звезд в Млечном Пути? . Он также имеет примерно в 3 раза больше глиальных клеток, нейроглиальных клеток . Его можно условно назвать «тактовой частотой» около$5 - 80$Гц, Какова тактовая частота, эквивалентная человеческому мозгу? , и массивно параллельна.

MP 2Ring, Joe и Stephan Matthiesen отмечают, что нейрон имеет много дендритов, намного сложнее транзистора и, следовательно, является более мощным вычислительным элементом. Это правда, но транзистор намного быстрее и может выполнять множество операций за то время, которое нейрон может выполнить одну.

У меня нет хорошего способа определения вычислительной мощности, который бы применим к обоим, и уж тем более надежды сравнить их. Мозг и компьютер могут делать то, чего другой не может коснуться. Все простое, например, сравнение тактовой частоты и количества дендритов, несомненно, вводит в заблуждение.

Это не дает прямого ответа на ваш вопрос, но я думаю, что эта статья дает хорошее представление о том, насколько сложнее отдельный биологический нейрон, чем отдельный узел в искусственной нейронной сети. В документе, цитируемом в статье, им нужна сеть с 1000 узлов для моделирования одного биологического нейрона, и даже тогда они говорят, что биологический нейрон, вероятно, сложнее этого. Чтобы сравнить это с вашим вопросом, вам понадобится какая-то мера, связывающая сложность одного транзистора со сложностью узла в нейронной сети; Я сомневаюсь, что вы можете просто сказать, что каждый узел соответствует$x$транзисторы, но, конечно, узлы намного сложнее.

Так что, возможно, у вас есть какие-то другие мотивы для того, чтобы задать этот вопрос. Но если вы представляете себе функционирование транзисторов в процессоре и нейронов в мозгу чем-то похожим, а затем пытаетесь провести прямое сравнение на основе этого, то я не думаю, что это сравнение очень полезно.

Человеческий мозг работает примерно$12$ватт и имеет около$90$миллиардов нейронов при энергопотреблении около$10^{-10}$Вт. Однако я не смог найти потребляемую мощность MOSFET.

Мой процессор Intel Core I5 ​​и человеческий мозг потребляют сопоставимое количество энергии (порядка величины: 100 Вт).

В моем мозгу примерно в 60 раз больше нейронов, чем транзисторов в моем процессоре.

Таким образом, каждый транзистор использует примерно в 60 раз больше энергии, чем нейрон.

Это, конечно, бессмысленное сравнение - чашка песка содержит около 15 миллионов песчинок и вообще не потребляет электричества, поэтому «использует на 100% меньше энергии, чем нейроны или транзисторы».

Ни нейрон, ни транзистор не обладают вычислительной мощностью сами по себе.

Даже сравнение всего человека с целым компьютером бессмысленно — что быстрее? За то, что заставил меня смеяться, человек быстрее. Чтобы заставить меня плакать, компьютер быстрее :D

Замечали ли вы, что подготовка к экзаменам или другая интенсивная интеллектуальная работа вызывает у вас чувство голода? Человеческий мозг сжигает около 100 Вт. В некоторых задачах, например, при распознавании лиц, он гораздо более энергоэффективен, чем компьютеры. В других случаях, например, при добавлении тысяч чисел компьютеры выигрывают.

Вы действительно не можете осмысленно сравнивать энергопотребление нейронов и транзисторов. Помимо того факта, что для создания модели нейрона в реальном времени требуется довольно мощный процессор (до такой степени, что мы можем даже смоделировать полную сложность нейрона), они фундаментально отличаются.

Транзисторы - электронные устройства. Они используют мощность только тогда, когда что-то вычисляют. Выключите компьютер, и ЦП потребляет нулевую мощность. Нейроны — это живые клетки: они потребляют энергию просто потому, что они живы, в первую очередь для того, чтобы быть живыми. Разница в энергозатратах между активным мышлением и неактивным мышлением мизерная, если она вообще существует.