Вычислительная машина и мозг - Джон фон Нейман

между двумя стандартными ответами на раздражитель. Оно составляет примерно 1,5 × 10—2 секунды. Из этих цифр видно, что сама по себе синаптическая передача возбуждения занимает всего лишь один или два процента общего времени; остальное время представляет собой период восстановления, в течение которого утомленный нейрон возвращается в свое нормальное, предшествовавшее возбуждению состояние.

Следует отметить, что процесс восстановления протекает постепенно. Так, еще до полного восстановления (примерно через 0,5 × 10–2 секунды) нейрон способен реагировать, хотя и необычным образом, а именно: он может генерировать стандартный импульс, но только в ответ на раздражение, которое значительно сильнее, чем то, которое необходимо в обычных условиях. Это обстоятельство имеет достаточно важное значение, и я еще вернусь к нему позже.

Итак, время реакции нейрона колеблется (в зависимости от того, как мы его определяем) где-то между 10–4 и 10–2 секунды, при этом более важной является вторая цифра. Время срабатывания современных электронных ламп и транзисторов, которые используются в больших логических машинах, составляет от 10–6 до 10–7 секунды. (Разумеется, я включаю сюда и период полного восстановления; по прошествии этого времени данный орган возвращается к своему первоначальному состоянию.) Таким образом, в этом отношении наши приборы превосходят соответствующие естественные органы примерно в 104–105 раз.

Что касается размера, то здесь наблюдается несколько иная ситуация. Существуют различные способы оценки размеров; лучше всего рассмотреть их один за другим.

Размер нейрона. Сравнение с искусственными компонентами

Линейные размеры нейронов сильно варьируют. Так, некоторые нейроны объединены в большие, тесно связанные совокупности клеток, а потому имеют очень короткие аксоны. Другие проводят импульсы между достаточно удаленными друг от друга частями тела и могут, таким образом, иметь аксоны, длина которых сопоставима с длиной всего человеческого тела. Один из способов однозначного и достоверного сравнения заключается в том, чтобы сравнить логически активную часть нервной клетки с логически активной частью электронной лампы или транзистора. В первом случае логически активная часть представлена клеточной мембраной, толщина которой, как уже упоминалось выше, составляет несколько десятков микрон (10–5 см). В случае электронной лампы речь идет о расстоянии от сетки до катода, которое колеблется от нескольких десятых до одного миллиметра (от 10–1 до 10–2 см); в случае транзистора – о расстоянии между неомическими электродами – эмиттером и управляющим электродом. Утроив это расстояние с тем, чтобы принять в расчет непосредственную активную среду этих элементов, мы получаем чуть меньше одной десятой миллиметра (10–2 см). Таким образом, в отношении линейных размеров естественные органы, по-видимому, превосходят искусственные – первые меньше вторых примерно в 103.

Далее, можно сравнить объемы. Центральная нервная система (мозг) занимает пространство порядка одного литра, т. е. 103 см 3. Количество нейронов, входящих в эту систему, обычно оценивается в 1010 или несколько выше, т. е. приблизительно 10—7 см 3 на один нейрон.

Также можно оценить (хотя и не с абсолютной точностью) плотность, с которой могут быть скомпонованы электронные лампы или транзисторы. Очевидно, что эта плотность (для обоих элементов сравнения) является лучшим показателем размера, чем фактический объем отдельного компонента. Устройства, состоящие из нескольких тысяч электронных ламп, несомненно, будут занимать несколько десятков кубических футов; то же количество транзисторов займет объем порядка одного или нескольких кубических футов. Используя последнюю цифру как меру лучшего на сегодняшний день достижения, получаем около 105 см 3 на несколько тысяч активных органов, т. е. от 10 до 102 см 3 на один активный орган. Таким образом, в отношении объема естественные органы превосходят искусственные примерно в 108–109 раз. При сравнении этих показателей с показателями линейного размера целесообразно считать, что показатель линейного размера сопоставим с кубическим корнем из показателя объема. Кубический корень из числа в диапазоне 108–109 находится где-то в пределах 0,5–1 × 103. Это хорошо согласуется с показателем 102, полученным прямым методом.

Рассеяние энергии. Сравнение с искусственными компонентами

Наконец, можно сравнить потребление энергии. Поскольку активный логический орган по своей природе не выполняет никакой работы, энергия вызванного в нем импульса не должна превышать соответствующей доли энергии возбуждающих его импульсов. В любом случае между этими энергиями нет никакой внутренней и необходимой взаимосвязи. Следовательно, вся полученная энергия почти полностью рассеивается, т. е. переходит в тепло, не производя никакой механической работы. Таким образом, потребляемая энергия на самом деле есть энергия рассеиваемая, поэтому можно говорить о рассеянии энергии такими органами.

Рассеяние энергии в центральной нервной системе человека (в головном мозге) составляет порядка 10 Вт. Поскольку, как указано выше, в головном мозге содержится порядка 1010 нейронов, это означает рассеяние энергии в 10–9 ватта на нейрон. В электронной лампе рассеяние энергии достигает порядка 5–10 ватт, а в транзисторе – всего 10–1 ватта. Таким образом, с точки зрения рассеяния энергии естественные органы превосходят искусственные в 108–109 раз (аналогичные цифры получены при сравнении объемов).

Итоги сравнения

Суммируя вышеизложенное, можно сказать следующее. В отношении размера искусственные органы уступают естественным в 108–109 раз. Эти цифры получены из результатов сравнения линейных размеров (возведенных в куб), а также сравнения объемов и рассеяния энергии. С другой стороны, искусственные органы превосходят естественные в скорости примерно в 104–105 раз.

Из этих количественных оценок следуют определенные выводы. Разумеется, необходимо помнить, что наши рассуждения все еще носят весьма поверхностный характер, поэтому все заключения, сделанные на данном этапе, вполне могут быть пересмотрены в дальнейшем. Тем не менее уже сейчас имеет смысл сформулировать некоторые выводы.

Первый вывод: по количеству действий, которые могут выполняться активными органами одинакового размера (определяемого по объему или рассеянию энергии) за один и тот же промежуток времени, естественные органы опережают искусственные в 104 раз. Эта цифра представляет собой частное от деления двух полученных выше показателей: 108–109 на 104–105.

Второй вывод: те же показатели свидетельствуют о том, что естественные автоматы имеют больше органов, но их скорость ниже, тогда как искусственные имеют меньше органов, но их скорость выше. Следовательно, можно ожидать, что эффективно организованный большой естественный автомат (например, нервная система человека) будет одновременно обрабатывать максимально возможное количество логических (или информационных) единиц, а эффективно организованный большой искусственный автомат (например, большая современная вычислительная машина) скорее будет выполнять операции одну за другой. То есть большие и эффективные естественные автоматы, по всей вероятности, станут производить действия параллельно, в то время как большие и эффективные искусственные автоматы – последовательно. (Ср. некоторые предыдущие замечания о параллельных и последовательных схемах).

Третий вывод: следует отметить,