Sind Neuronen energieeffizienter als Transistoren?

Es überrascht nicht, dass es nicht so einfach ist, den Stromverbrauch einer Zelle zu ermitteln. Wie hoch ist der Stromverbrauch einer Zelle? macht verschiedene Schätzungen. Eine Schätzung für eine menschliche Zelle ist

Beachten Sie beim Lesen, dass die Leistung entweder in Watt oder in ATP/s gemessen wird. ATP oder Adenosintriphosphat ist das Molekül, das Energie in Zellen speichert. Ein ATP ist die Energiemenge, die durch das Entfernen einer Phosphatgruppe freigesetzt wird.

Wie Martin Modrak betonte, hat das Gehirn$2\%$der Körpermasse, sondern nutzt$20\%$seiner Energie. Die Neuronen verwenden$80\%$von diesem$20\%$. Ich werde schätzen, dass das Gehirn ist$25\%$Neuronen. Das bedeutet, dass Neuronen ungefähr verbrauchen$32$mal mehr Energie als eine typische menschliche Zelle, oder

Noch überraschender ist, dass der Stromverbrauch eines MOSFETs nicht so einfach ist, wie Sie vielleicht erwarten. Und nicht alle MOSFETs sind gleich. Einige sind für Hochspannungs-Schaltnetzteile vorgesehen. Der Leitfaden zur Berechnung der Verlustleistung von MOSFETs in der Hochleistungsversorgung gab ein Beispiel für eine Stromversorgung, bei der die Verlustleistung auftritt$1.23 W$.

Aber Sie denken wahrscheinlich an einen Transistor, der in einem Computer verwendet wird. Ich fand eine nicht unterstützte grobe Schätzung in Wenn jeder Transistor in einer modernen CPU durch eine alte Vakuumröhre ersetzt würde, wie viel Strom würde diese CPU verbrauchen? dass die Leistung eines Transistors ist

Wie Joao Mendez betonte, steht der Stromverbrauch in direktem Zusammenhang mit der Taktfrequenz. Dies liegt daran, dass die meiste Energie beim Umschalten zwischen 1 und 0 verbraucht wird. Dies ist der begrenzende Faktor der Taktgeschwindigkeit. Zu viel Stromverbrauch bedeutet, dass die Temperatur des Chips auch bei guter Kühlung zu hoch ansteigt. Bei Mobilgeräten wird der Akku außerdem schneller entladen.

Denken Sie daran, dass ein Gehirn und ein Computer auf völlig unterschiedliche Weise immense Rechenleistung erreichen.

Ein typischer Computer könnte verwenden$10^{10}$MOSFETs in CPU und GPU und >$10^{11}$in einer großen RAM-Bank. Eine typische Taktgeschwindigkeit ist >$10^9$Hertz. Es kann Hunderte von Threads "parallel" ausführen$\approx 10$Prozessoren. Von Transistor zählen ,

Andererseits hat ein Gehirn ungefähr$10^{11}$Neuronen Gibt es im menschlichen Gehirn wirklich so viele Neuronen wie Sterne in der Milchstraße? . Es hat auch etwa dreimal so viele Gliazellen, Neurogliazellen . Es hat eine sogenannte "Taktrate" von etwa$5 - 80$Hz, Wie hoch ist die Taktfrequenz des menschlichen Gehirns? , und ist massiv parallel.

MP 2Ring, Joe und Stephan Matthiesen weisen darauf hin, dass ein Neuron viele Dendriten hat, viel komplexer als ein Transistor und daher ein leistungsfähigeres Rechenelement ist. Das stimmt, aber ein Transistor ist viel schneller und kann viele Operationen in der Zeit ausführen, in der ein Neuron eine ausführen kann.

Ich habe keine gute Möglichkeit, Rechenleistung zu definieren, die für beide gelten würde, und noch viel weniger Hoffnung, sie zu vergleichen. Ein Gehirn und ein Computer können jeweils Dinge tun, die der andere nicht erreichen kann. Alles Einfache, wie das Vergleichen von Taktraten und Dendritenzahlen, ist sicherlich irreführend.

Dies beantwortet Ihre Frage nicht direkt, aber ich denke, dieser Artikel vermittelt ein gutes Gefühl dafür, wie viel komplexer ein einzelnes biologisches Neuron ist als ein einzelner Knoten in einem künstlichen neuronalen Netzwerk. In dem im Artikel zitierten Artikel benötigen sie ein Netzwerk mit 1000 Knoten, um ein einzelnes biologisches Neuron zu modellieren, und selbst dann sagen sie, dass das biologische Neuron wahrscheinlich komplexer ist als dieses. Um dies mit Ihrer Frage zu vergleichen, müssten Sie dann eine Art Maß haben, das die Komplexität eines einzelnen Transistors mit der eines Knotens in einem neuronalen Netzwerk in Beziehung setzt. Ich bezweifle, dass Sie einfach sagen können, dass jeder Knoten entspricht$x$Transistoren, aber sicherlich sind die Knoten viel komplexer.

Vielleicht haben Sie also eine andere Motivation, diese Frage zu stellen. Aber wenn man sich die Funktionsweise von Transistoren in einer CPU und der von Neuronen im Gehirn irgendwie analog vorstellt und dann darauf aufbauend einen direkten Vergleich versucht, dann halte ich diesen Vergleich nicht für sehr sinnvoll.

Das menschliche Gehirn läuft auf etwa$12$Watt und hat ca$90$Milliarden Neuronen, für einen Stromverbrauch von ca$10^{-10}$Watt. Ich konnte jedoch den Stromverbrauch eines MOSFET nicht finden.

Meine Intel Core I5 ​​CPU und das menschliche Gehirn verbrauchen vergleichbare Energiemengen (Größenordnung: 100W).

Mein Gehirn hat etwa 60 mal so viele Neuronen, wie meine CPU Transistoren hat.

Daher verbraucht jeder Transistor etwa die 60-fache Leistung eines Neurons.

Dies ist natürlich ein bedeutungsloser Vergleich - eine Sandschale hat etwa 15 Millionen Sandkörner und zieht überhaupt keinen Strom, verbraucht also "100 % weniger Strom als Neuronen oder Transistoren".

Weder ein Neuron noch ein Transistor haben eine eigene Rechenleistung.

Selbst der Vergleich eines ganzen Menschen mit einem ganzen Computer ist bedeutungslos - was ist schneller? Um mich zum Lachen zu bringen, ist ein Mensch schneller. Um mich zum Weinen zu bringen, ist ein Computer schneller :D

Ist Ihnen aufgefallen, dass das Üben für Prüfungen oder andere intensive intellektuelle Arbeit Sie hungrig macht? Das menschliche Gehirn verbrennt bis zu etwa 100 W. Bei manchen Jobs, zB Gesichtserkennung, ist es weitaus energieeffizienter als Computer. Bei anderen dagegen, z. B. beim Addieren von Tausenden von Zahlen, gewinnen Computer.

Sie können den Energieverbrauch von Neuronen und Transistoren wirklich nicht sinnvoll vergleichen. Abgesehen von der Tatsache, dass es einer ziemlich leistungsstarken CPU bedarf, um ein Echtzeitmodell eines Neurons zu erstellen (bis zu dem Grad, dass wir sogar die volle Komplexität eines Neurons modellieren können), unterscheiden sie sich grundlegend.

Transistoren sind elektronische Geräte. Sie verbrauchen Energie nur, wenn sie etwas berechnen. Schalten Sie Ihren Computer aus und die CPU verbraucht null Strom. Neuronen sind lebende Zellen: Sie verbrauchen Energie, nur weil sie am Leben sind, um überhaupt am Leben zu sein. Der Energieverbrauchsunterschied zwischen aktivem Denken und Nichtdenken ist winzig, wenn es ihn überhaupt gibt.