1.發(fā)展歷史

為了回答“人腦是一臺計算機嗎”這個問題,，先來了解一下計算機的發(fā)展歷史,，根據(jù)計算機的發(fā)展總結(jié)計算機的特點,。

1931 年,，Vannevar Bush 在麻省理工學院 (MIT) 發(fā)明并制造了差分分析儀，這是第一臺大型自動通用機械模擬計算機,，這臺機器使用機械積分器（變速齒輪）來求解微分方程,。

特點：差分分析儀采用機械結(jié)構(gòu)。

1941 年,，Atanasoff 和 Clifford Berry 設(shè)計了世界上第一臺真正意義上的電子數(shù)字計算機,，用了300個電子管，稱為 Atanasoff–Berry Computer (ABC),。不過這臺機器還只是個樣機,，并沒有完全實現(xiàn)阿塔那索夫的構(gòu)想。

特點：ABC開創(chuàng)了計算機的兩個重要元素：二進制算術(shù),，電子開關(guān),。

1946年，ENIAC在美國宣告誕生,，全稱為Electronic Numerical Integrator And Computer,，即電子數(shù)字積分計算機，ENIAC是繼ABC（阿塔納索夫-貝瑞計算機）之后的第二臺電子計算機,。它是完全的電子計算機,，能夠重新編程，解決各種復(fù)雜計算問題,。美國國防部用它來進行彈道計算,。它是一個龐然大物，用了18000個電子管,，占地170平方米,，重達30噸，耗電功率約150千瓦,，每秒鐘可進行5000次運算,。

特點：ENIAC計算機開創(chuàng)了現(xiàn)代計算機的重要元素：二進制算術(shù)，電子開關(guān),，可重復(fù)編程,。

根據(jù)計算機的發(fā)展過程，可知計算機是一種高度自動化的,、能夠按照預(yù)先設(shè)定的程序進行高速數(shù)值運算和邏輯判斷的現(xiàn)代化職能電子設(shè)備,；其內(nèi)部被傳送,、存儲和運算的信息都是以電信號形式表示的2進制數(shù)字。計算機有如下基本特征：

1,、計算機采用電子器件為基本部件,。
2、計算機內(nèi)部采用二進制運算,。
3,、計算機可以進行復(fù)雜高速運算。

46億年前地球形成,，35－38億年前細胞形式的生命就已經(jīng)出現(xiàn),，從南方古猿算起人類的出現(xiàn)，則有200～300萬年,。

經(jīng)過數(shù)十億年才最終進化演變出來的人類大腦是一臺計算機嗎,？是一臺如何性能的計算機呢？

2.人腦與計算機對比

2.1基礎(chǔ)單元

人腦基礎(chǔ)單元

人腦是大自然創(chuàng)造的最精密,，最復(fù)雜的器官,。人腦的神經(jīng)系統(tǒng)由神經(jīng)元組成,，神經(jīng)元是人腦神經(jīng)的基本單元,。神經(jīng)元能感知環(huán)境變化，能將信息傳遞給其他神經(jīng)元,，并指令機體做出反應(yīng),。
神經(jīng)元由胞體、軸突,、樹突幾個部分組成,。

胞體
胞體是神經(jīng)元的核心，像一個八爪魚,，典型的神經(jīng)元的胞體的直徑大約為20um,。胞體內(nèi)含有細胞核，內(nèi)質(zhì)網(wǎng),，高爾基體,，線粒體。

軸突
軸突是神經(jīng)元細胞特有的結(jié)構(gòu),，軸突承擔了神經(jīng)系統(tǒng)中信息傳遞的使命,。人類神經(jīng)系統(tǒng)中軸突的長度有些小于1mm ，有些大于1米,。這些軸突能作為“電線”傳遞信息,。

樹突
樹突的作用相當于神經(jīng)元的天線，樹突上覆蓋有成千上萬的突觸,，突觸上有很多受體,，用于感知神經(jīng)“信號”

計算機基礎(chǔ)單元

組成現(xiàn)代計算機最基礎(chǔ)的單元是晶體管,，晶體管組成邏輯門，邏輯門組成復(fù)雜的數(shù)字電路,。晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件,，包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管、三極管,、場效應(yīng)管,、晶閘管等。這些晶體管的組合可以使電信號在通過它們之后,，產(chǎn)生新的高電平或低電平的信號,。

2.2基礎(chǔ)信號

神經(jīng)元信號

神經(jīng)元內(nèi)部和外部有大量的帶電離子，并且這些帶電離子濃度不一致,，導(dǎo)致神經(jīng)元內(nèi)部和外部存在電壓差,。
根據(jù)離子濃度，使用Goldman方程計算出的膜電位差為-65mV , 使用微電極實際測量出的也是-65mV ,。

神經(jīng)元上有一種名為電壓門控通道,，該通道可以讓指定的離子通過，從而改變神經(jīng)元內(nèi)部電壓,。

當神經(jīng)元接受到“信號”之后,，電壓門控通道打開，使得神經(jīng)元內(nèi)部電壓改變,，最終神經(jīng)元生產(chǎn)了一個動作電位,，動作電位的波形如下：

動作電壓波形可以看作脈沖信號，由圖可知動作電位的脈沖電壓差約為100mV ,動作電壓的脈沖信號時間約為2ms ,。

計算機信號
現(xiàn)代計算機存儲和處理的數(shù)據(jù)采用二值電信號,，二值信號能夠能容易的表示和存儲，例如,，可以表示為穿孔紙袋上的有孔和無孔,，導(dǎo)線上的高電平和低電平。

小結(jié)：
組成人腦最小單元的神經(jīng)元使用的是約100mV電信號,，并且信號的值是有動作電位和無動作電位,，由此可見人腦使用的是二進制電信號。

2.3執(zhí)行速度

神經(jīng)元執(zhí)行速度

神經(jīng)元上的電壓門控通道可以讓指定的離子進入神經(jīng)元,，從而改變神經(jīng)元內(nèi)部電壓產(chǎn)生動作電位,。

電壓門控通道并不能不受任何限制的隨意開關(guān)，電壓門控通道開關(guān)控制有如下特性：

1,、通道開發(fā)有短暫的延遲,。
2、通道開發(fā)的時間約為ms,，然后關(guān)閉,。
3,、只有當膜電位恢復(fù)后，通道才會再次打開,。

神經(jīng)元的動作電位的速率是有上限的,，最大的產(chǎn)生頻率大約為1000Hz。就是說當一個動作電位產(chǎn)生后,，1ms以內(nèi)不可能再產(chǎn)生下一個動作電位,，這段時間稱為絕對不應(yīng)期。此外,，在絕對不應(yīng)期后的幾個毫秒內(nèi)要產(chǎn)生下一個動作電位也比較困難,，這段時間稱為相對不應(yīng)期。

計算機執(zhí)行速度

麒麟9000芯片是國貨之光的華為公司于2020年10月22日發(fā)布的基于5nm工藝制程的手機Soc,，集成多達153億個晶體管,，包括一個3.13GHz A77大核心、三個2.54GHz A77中核心,、四個2.04GHz A55小核心,，最高主頻可達3.13GHz。

神經(jīng)元的最高工作頻率為1KHz,因此人類大腦的最高工作頻率就是1KHz,。而目前計算機的工作頻率可以達到3GHz,，工作頻率之比為1:3000000 ，這就是說人類大腦工作1秒,，計算器已經(jīng)工作了34.7天了,。

小結(jié)：
人腦使用二進制電信號,，是一臺標準的電子計算機,，由于神經(jīng)元的最高工作頻率為1KHz，因此人腦是一臺工作頻率為1KHz的計算機,。
人類大腦就這么弱嗎,？
當然不是，接下來我來介紹一下大腦的神奇能力,，看看1KHZ大腦是如何吊打3GHz計算機的,。

3.大腦為何如此強大

3.1并行能力

計算機可以為我們執(zhí)行豐富的應(yīng)用程序，可以“同時”滿足我們的各種使用需要,。計算機之所以能同時完成我們各種需求,，是因為計算機系統(tǒng)能“并行”執(zhí)行多個用戶的應(yīng)用程序。
事實上計算機并不是真正的并行執(zhí)行多個任務(wù),，而是：宏觀并行,，微觀串行。

某一時刻計算機只能運行一個應(yīng)用程序,，計算器依次高速調(diào)度執(zhí)行應(yīng)用程序,，實現(xiàn)多個任務(wù)輪流運行,，給用戶的宏觀體驗是多個應(yīng)用程序同時運行。

人腦由多個部分組成,，主要包括大腦,、小腦、間腦,、腦干部分,。

1、大腦：大腦是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的最高級部分,，完成與高級情感,、精神、視力功能,，語言功能,、肢體運動等相關(guān)功能；
2,、間腦：完成與睡眠,、攝食以及語言、感覺密等相關(guān)功能,；
3,、小腦：主要實現(xiàn)與平衡、精細動作控制等相關(guān)功能,；
4,、腦干：主要與意識狀態(tài)、生命中樞等相關(guān)功能,；

人腦分為多個組成部分,，其中每個組成部分又分為多個功能分區(qū)，這每個分區(qū)均可以獨立完成特定功能,。

人腦中的每個功能分區(qū)都可以獨立,，同時工作，實現(xiàn)真實意義上的并行,。
俗話說“三個臭皮匠頂個諸葛亮”,，人腦中許多個功能分區(qū)同時工作，高速完成各種復(fù)雜控制,。無數(shù)個小人物在一起也能干出奇跡,！

團結(jié)就是力量

大哥帶小弟

人腦不僅是多個功能分區(qū)同時并行工作，人腦作為“大哥”還帶了一個“小弟”,，這個“小弟”叫做自主神經(jīng)系統(tǒng),。我們來看看這個“小弟”都能干些啥。

大哥帶小弟

自主神經(jīng)系統(tǒng)又稱為植物神經(jīng)系統(tǒng),，是一個內(nèi)臟神經(jīng)中的運動神經(jīng)系統(tǒng),，自主神經(jīng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)自主控制,，正常情況下不需要主動干預(yù)。
自主神經(jīng)系統(tǒng)控制著性命攸關(guān)的生理功能,，如心率,，消化，呼吸速率,，瞳孔反應(yīng),，排尿，性沖動,。
交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)是自主神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分,。

交感神經(jīng)的主要功能如下：
瞳孔散大，心跳加快,，皮膚及內(nèi)臟血管收縮,，冠狀動脈擴張，血壓上升,，小支氣管舒張,，胃腸蠕動減弱，膀胱壁肌肉松弛,，唾液分泌減少,，汗腺分泌汗液、立毛肌收縮等,。
當機體處于緊張活動狀態(tài)時,，交感神經(jīng)活動起著主要作用。

副交感神經(jīng)作用與交感神經(jīng)作用相反,，它不如交感神經(jīng)系統(tǒng)具有明顯的一致性,，副交感神經(jīng)主要功能如下：

1、瞳孔縮小以減少刺激,，促進肝糖原的生成,，以儲蓄能源。 2,、引起心跳減慢，血壓降低,，支氣管縮小,，以節(jié)省不必要的消耗。
3,、消化腺分泌增加,、增進胃腸的活動，促進大小便的排出,，保持身體的能量,。

副交感神經(jīng)系統(tǒng)主要維持安靜時的生理需要,。

小結(jié)：
人腦的并行處理能力遠超當前階段的計算機！

3.2人腦的超能力

人腦除了遠超計算機的并行能力之外,，還有很多超能力“碾壓”計算機,，主要體現(xiàn)在：

1、視覺能力
2,、專用神經(jīng)通道
3,、可塑能力

3.2.1視覺能力

物體反射或者發(fā)射的光在眼睛視網(wǎng)膜上成像，視網(wǎng)膜將光信號轉(zhuǎn)換成光感受器陣列膜電位變化,，膜電位變化從視網(wǎng)膜依次經(jīng)過外側(cè)膝狀體LGN,、初級視皮層V1、次級視皮層V2 ,、視皮層第四區(qū)V4和下顳葉皮層IT的加工處理,，最終形成顏色感知。

我們先來看看外側(cè)膝狀體這個神奇的器官,，外側(cè)膝狀體是位于丘腦的一個的神經(jīng)核團,，直徑只有幾個毫米。因為它的形狀像彎曲的膝蓋,，所以叫“膝狀體”,。

側(cè)膝狀體內(nèi)部分為6層，這6層分屬兩類——大細胞層和小細胞層,。
大細胞層指的是這類細胞的感受野尺寸比較大,，小細胞層指的是這類細胞的感受野尺寸比較小。

大細胞和小細胞分別對不同類型的視覺信號敏感,，特點如下：

1,、大細胞喜歡“運動信息”，對運動的方向,、速度信息很敏感,，但是對物體的精細結(jié)構(gòu)不敏感。
2,、小細胞喜歡“形狀信息”,，對物體的精細結(jié)構(gòu)敏感，但對運動信息不敏感,。

大細胞和小細胞就將輸入的視覺信號分為兩類,，各自打包向皮層傳輸，從而實現(xiàn)了“雙通道并行”的模式,。這種并行模式,，使得后續(xù)視覺皮層檢測多種視覺特征信息變得更加容易。

計算機視覺系統(tǒng)

特斯拉視覺系統(tǒng)代表著當前計算器視覺識別的先進水平，特斯拉的視覺系統(tǒng)由8個攝像頭環(huán)繞車身,，視野范圍達 360 度,，每個攝像頭采集分辨率為1280 × 960，12-Bit, 36Hz的RAW格式圖像,，對周圍環(huán)境的監(jiān)測距離最遠可達 250 米,。攝像頭捕獲環(huán)境中的視覺信息經(jīng)過一系列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的處理，最終直接輸出3D場景下的 “Vector Space”用于后面的規(guī)劃和智駕系統(tǒng),。

相對人腦的視覺識別系統(tǒng),，特斯拉的視覺系統(tǒng)算法并不是非常成熟，很容易因為算法的錯誤識別出現(xiàn)安全事故,。比如最典型的案例就是之前發(fā)生的“特斯拉無法識別白色卡車”事件,，容易出現(xiàn)直接相撞的事故。

3.2.2專用神經(jīng)通道

在人腦神經(jīng)系統(tǒng)中有許多專用的神經(jīng)控制通道,，正因為這些專用的通道存在使得人腦神經(jīng)系統(tǒng)實現(xiàn)更快的閉環(huán)控制,。
中樞前庭系統(tǒng)有一個非常重要的功能：保持眼睛對一個特定方向的注視，這是通過前庭-眼反射（VOR）來完成的,。VOR通過感受頭部的旋轉(zhuǎn),，來指揮眼睛向相反的方向做補償性的運動，這個運動有助于人將視線牢牢鎖定在視覺目標上,。

VOR的有效性取決于自半規(guī)管至前庭核,，至顱內(nèi)使眼外肌興奮的核團的特殊連接，正是因為這個專用的控制通道,，使得人可以在運動過程中牢牢鎖定在視覺目標,。

3.2.3可塑能力

中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的發(fā)育中連接或通道分為3個階段：路徑選擇、靶位選擇,、地址選擇,。

突觸重排是地址選擇過程中的最后一步，突觸重排是神經(jīng)元活動和突觸傳遞的結(jié)果,。例如在視覺系統(tǒng)中一些連接通道網(wǎng)絡(luò)在出生前已經(jīng)產(chǎn)生,，然而一些重要的連接通道網(wǎng)絡(luò)發(fā)育在出生以后，我們最終的成年視覺系統(tǒng)的表現(xiàn)在很大程序上決定于出生后的早期視覺環(huán)境的影響,。

人腦發(fā)育過程中的神經(jīng)環(huán)路形成大多發(fā)生在出生前,，并且受到兩方面的引導(dǎo)，一是神經(jīng)細胞和神經(jīng)細胞間的接觸,，另一方面是彌散性化學信號,。盡管絕大部分的神經(jīng)環(huán)路都在出生前分布到合適的位置，但是神經(jīng)細胞最后的連接,，發(fā)生在嬰幼兒早期的關(guān)鍵期，并且受到感覺環(huán)境影響。

關(guān)鍵期的結(jié)束并不意味著突觸可塑性結(jié)束,。成年腦的前葉和顳葉的一些更高級的皮層區(qū)域也能表現(xiàn)出可塑性,。在整個生命過程中，環(huán)境在某種程度上影響著大腦,。

4.參考資料

1,、《神經(jīng)科學——探索腦》 —— Mark F. Bear、Barry W. Connors,、Michael A. Paradiso
2,、《深入理解計算機系統(tǒng) 》 ——Randal E.Bryant / David O’Hallaron
3、《計算機組成與設(shè)計》——戴維A.帕特森 (David A.Patterson) / 約翰 L.亨尼斯 (John L.Hennessy)

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作者：李巍
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