Výkon mozgu v porovnaní s počítačom

Ľudský mozog a počítač nemožno porovnávať jediným číslom, pretože pracujú podľa odlišných princípov. Počítače sú vo vymedzených úlohách mimoriadne rýchle a presné, zatiaľ čo mozog vyniká energetickou účinnosťou, učením, rozpoznávaním vzorov, prácou v kontexte, tvorivosťou a schopnosťou prepájať myslenie s telom a prostredím.

Podľa niektorých odhadov je výpočtová kapacita najvýkonnejších superpočítačov približne porovnateľná s výpočtovou kapacitou dospelého ľudského mozgu. Rozdiel je však v tom, že superpočítač na podobný výkon potrebuje milióny wattov, veľký priestor a náročné chladenie, kým mozog pracuje približne s 15 až 20 wattmi a zmestí sa do objemu približne dvoch pästí.

Prečo sa mozog a počítač nedajú porovnať iba výkonom

Mapa nie je územie a plán alebo model je vždy len zjednodušenie reality. V tom je ich výhoda - zatiaľ čo v horách alebo v ľudskom tele sa bez hlbších znalostí nikdy nebudeme vedieť orientovať, v anatomickom modeli alebo turistickej mape môžeme získať prehľad za niekoľko minút. Musíme si však uvedomiť aj aspekty, ktoré plán alebo model vynecháva.

Napr. podľa katastrálnej mapy ľahko nájdeme požadovaný pozemok a jeho podložie podľa geologickej hranice - ale pri hľadaní reštaurácie v centre mesta nás tieto informácie zvyknú zmiasť. Metafora počítača môže byť často užitočná, ale zostáva len metaforou; človek (aspoň zatiaľ) zostáva človekom a počítač počítačom.

V čom je počítač výkonnejší

Počítače sú vo vzťahu k človeku extrémne rýchle a presné pri riešení úloh, ktoré možno preložiť do algoritmov. Teda tam, kde je možné problém vopred rozložiť na jednotlivé kroky s presne stanovenou postupnosťou. Ide predovšetkým o matematické výpočty a opakované úlohy.

Zatiaľ čo pri riešení určitých špecifických úloh sú počítače väčšinou výkonnejšie a presnejšie než ľudský mozog, človek je obdarený oveľa širším spektrom schopností. Bežný počítač vykonáva operácie podľa pravidiel, ktoré sú určené programom, a pri rovnakých podmienkach smeruje k rovnakému výsledku.

V čom má výhodu ľudský mozog

Človek zase víťazí v iných oblastiach, ako sú jazykové schopnosti, kreatívne myslenie alebo rozpoznávanie vzorov. Aj keď sa napríklad rozpoznávacia úroveň počítačov spolu s technologickým vývojom v odbore stále zlepšuje, ľudský mozog pracuje v kontextoch a dokáže identifikovať druhú osobu, aj keď má čiastočne zakrytú tvár alebo je inak zamaskovaná.

Človek sa v čase vyvíja, dokáže sa učiť z chýb, improvizovať a nachádzať nové riešenia. Ľudský mozog navyše pracuje s emóciami, pocitmi a fantáziou, plánuje budúcnosť a v režime online koordinuje fungovanie svojho nosiča, teda ľudského tela.

Počítače môžu robiť len to, na čo ich pripravil programátor, a pracovať iba s informáciami, ktoré im boli zadané. Súčasné počítače sú preto v tomto zmysle iba tak inteligentné ako osoba, ktorá ich používa.

Porovnanie základných ukazovateľov

Americkí vedci sa pokúsili čo najpresnejšie porovnať základné ukazovatele jedného z najvýkonnejších superpočítačov na svete s ľudským mozgom, mačacím mozgom a iPadom. Zistili okrem iného, že superpočítač má desaťnásobnú kapacitu pamäte a dokáže pracovať až štyrikrát rýchlejšie než ľudský mozog.

Na druhej strane k tomu potrebuje takmer pol milióna krát viac energie. Takéto porovnanie ukazuje, že samotná rýchlosť výpočtov alebo kapacita pamäte nevystihuje praktickú hodnotu celého systému.

Energetická účinnosť mozgu

Ľudský mozog prevyšuje počítače najmä v spotrebe energie. Mozog totiž na svoju činnosť potrebuje len 20 wattov energie, no ak by sme mali zostaviť počítač s procesorom rovnako výkonným ako ľudský mozog, potrebovali by sme k tomu až 20 megawattov energie.

Toľko energie vyrobí napríklad menšia vodná elektráreň. Preto ak chcú vývojári výkonných počítačov „súťažiť“ s ľudským mozgom, je nutné minimalizovať zdroj energie procesora.

Práve energetická náročnosť výrazne obmedzuje výkon súčasných procesorov, aj napriek tomu, že sú až stotisíckrát menšie ako pred pol storočím. Najvýkonnejšie digitálne počítače dokážu vykonať približne 100 petaflopov alebo 10¹⁷ operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu.

Biologický mozog pracuje podľa odhadov založených na počte akčných potenciálov prenášaných medzi približne 10¹¹ neurónmi a približne 10¹⁴ spojeniami medzi nimi na úrovni zodpovedajúcej približne 100 až 1000 petaflopom informačného spracovania.

Prečo počítače spotrebúvajú toľko energie

Dôvodom, prečo počítače potrebujú veľké množstvo energie, je spracovanie informácií miliónmi tranzistorov. Tranzistory sa musia spínať presne, aby nedošlo k závažným chybám.

Energia sa preto do tranzistorov dodáva s určitým napätím. To spoľahlivo zapne a vypne všetky tranzistory. Práve toto vedie k vyššej energetickej náročnosti.

Superpočítač s výkonom 100 petaflopov potrebuje približne 15 000 000 wattov, čo je dostatok energie na zásobovanie mesta s približne 10 000 domácnosťami. Zaberá plochu približne ako americké futbalové ihrisko plné prepojených skríň s procesormi a vyžaduje zložitý a drahý chladiaci systém na odvádzanie veľkého množstva vznikajúceho tepla.

Naopak, ľudský mozog aj pri riešení náročného fyzikálneho problému spotrebúva približne 15 wattov a má objem približne dvoch pästí. Mozog je preto mimoriadne pôsobivý nielen svojou výpočtovou schopnosťou, ale aj tým, že dokáže pracovať v malom priestore s veľmi nízkou spotrebou.

Rozdielna architektúra spracovania

Zásadné rozdiely, na ktoré upozorňuje takzvaná stelesnená koncepcia mysle, sa týkajú spôsobu spracovania informácií. Počítač pracuje abstraktne, softvér je nezávislý od hardvéru a prostredia. V prípade človeka je to naopak.

Počítač vykonáva teoretické výpočty, zatiaľ čo my testujeme konkrétne scenáre, ktoré sú navyše často overované telom, a nie mozgom. Potenciálneho partnera budeme vnímať ako atraktívnejšieho, ak máme v krvi trochu adrenalínu: namiesto teoretických úvah o tom, či sa k sebe hodíme, totiž odpoveď odvodzujeme z hormonálnej reakcie na jeho prítomnosť.

Pri zaostrovaní oka sa na rozdiel od fotoaparátu nemusíme spoliehať na výpočty optimálneho nastavenia clony, ale jednoducho rozšírime zreničky, kým nedosiahneme požadovaný stav. Veľké množstvo výpočtov a operácií prenechávame prostrediu bez toho, aby sme ich museli skutočne vykonať.

Úloha tela, prostredia a automatizácie

Kancelária automaticky asociuje prácu a posteľ spánok bez toho, aby sme k tomu museli dospieť uvažovaním. Pavlovove psy tiež nemuseli pri každom zazvonení racionálne prísť na to, že dostávajú krmivo.

Akokoľvek sa takáto automatizácia môže zdať triviálna, šetrí obrovské množstvo výpočtovej kapacity. Ak nastúpime do auta, nemusíme teoreticky premýšľať o tom, či si ideme urobiť kávu alebo zapnúť počítač, ale namiesto toho bez váhania stlačíme spojku a otočíme kľúčikom.

Príchod do práce v nás automaticky prebudí „pracovné nastavenie“, zatiaľ čo v krčme relaxujeme sami od seba. Človek tak časť spracovania presúva do návykov, pohybov, telesných reakcií a vlastností prostredia.

Podobne pri skúmaní iných ľudí alebo zvierat neuvažujeme teoreticky: „tečú jej slzy, má červenú tvár, krváca jej noha, ergo, má bolesti“, ale vžívame sa do situácie druhého človeka, akoby sme v nej boli sami.

Ak vidíme niekoho zraneného, aktivujú sa nám v mozgu centrá bolesti, pretože bolesť nevnímame, ale cítime. Ak vidíme človeka, ktorý si prikladá pohár k ústam, vieme, že pije, pretože sa pri pití správame rovnako.

Pamäť mozgu a pamäť počítača

Prvé rozdiely nájdeme v pamäti: zatiaľ čo počítač má svoju vyrovnávaciu pamäť, pamäť RAM a pamäť pevného disku jasne oddelené, u človeka sú ich hranice nezreteľné a z jedného stupňa do druhého prechádza postupne.

Najdôležitejšie však je, že na rozdiel od počítačov nemáme oddelený proces vybavovania, spracovania a ukladania informácií. Akákoľvek mentálna činnosť s daným obsahom pamäte je súčasne všetkými uvedenými procesmi.

Informácie si vybavujeme, teda vyvolávame súvisiace pojmy z pamäte a aktivujeme súvisiace neuróny, spracovávame, pretože sa aktivujú asociácie, a ukladáme, keďže akákoľvek aktivácia neurónov ovplyvňuje ich dlhodobé asociácie, ktoré pravdepodobne tvoria pamäť.

Akékoľvek vyvolanie mení spomienky. Ľudská pamäť preto nie je jednoduchým úložiskom, z ktorého sa údaje vždy načítajú v nezmenenej podobe.

Hypotéza mechanického ukladania spomienok

Drvivá väčšina toho, čo sa deje v našich mozgoch, ostáva aj naďalej záhadou. Moderná veda zatiaľ nedokáže pochopiť tajomstvá nášho vedomia a dokonca ani to, ako sa v našej hlave ukladajú spomienky.

Nový výskum britského doktora Bena Goulta prichádza s radikálnym vysvetlením. Goult vo svojej práci naznačuje, že by naša pamäť mohla fungovať na mechanickom princípe a náš mozog má s počítačom spoločné viac, než by ste si mohli myslieť.

Princíp ukladania spomienok v mozgu nazval MeshCODE a celá jeho práca je založená na objave špeciálnej molekuly s názvom talin. V našom mozgu sa nachádzajú synapsy, čo sú v podstate štruktúry umožňujúce mozgovým bunkám posielať signály a komunikovať.

Tieto synapsy obsahujú kostru tvorenú molekulami talinu. Tieto molekuly vytvárajú akúsi sieť. Molekuly talinu majú len dva stabilné stavy, čo by sa dalo prirovnať k počítaču pracujúcemu na princípe 0 a 1.

Teória MeshCODE ponúka nový pohľad na ľudský mozog. Podľa teórie sa tento orgán správa ako mechanický počítač s tým, že mozgová aktivita neustále aktualizuje komplexný binárny kód spísaný do tvaru molekúl.

V podstate teória MeshCODE funguje tak, že elektrické signály v mozgu menia binárny kód núl a jednotiek, ktoré vytvárajú molekuly. Mozog je vnímaný ako počítačový disk, na ktorom sú rôzne informácie uložené v odlišných regiónoch a môžu byť kedykoľvek zobrazené.

Táto teória zároveň ponúka zaujímavú odpoveď na to, prečo spíme. Počas dňa sa do mozgu dostáva kvantum nových informácií, ktoré sú spracované v hipokampe. Počas noci potrebujú byť tieto informácie utriedené a zaradené k existujúcim dátam.

Toto triedenie si vyžaduje veľké množstvo mozgovej aktivity, ktorá sa deje počas spánku. Nasvedčovala by tomu elektrická aktivita počas REM fázy spánku.

V súčasnosti prebiehajú výskumy, ktoré by mohli dokázať, že teória MeshCODE nie je len tak nejakou teóriou. Vedci zároveň chcú zistiť, ako molekuly talinu fungujú v reálnom čase a aké zmeny môžu nastať.

To by mohlo pomôcť objasniť, či k nejakým zmenám dochádza a ak áno, ako sa tieto zmeny prejavujú v kontexte neurónovej aktivity.

Neuróny, synapsy a paralelné spracovanie

Podľa biológov má ľudský mozog približne 90 miliárd nervových buniek, ktoré tvoria takzvané synapsy, teda spojenia dvoch neurónov slúžiace na odovzdávanie vzruchov. Spoločne tento prepracovaný systém „ciest“ umožňuje stovky biliónov rôznych kombinácií.

Pre lepšiu predstavu sa pokúsili tento systém vedci napodobniť na reálnych počítačoch. Potrebovali takmer 83 000 procesorov pracujúcich súčasne na jednom z najvýkonnejších superpočítačov na svete.

Napodobnenie jednej sekundy bežnej ľudskej aktivity pritom trvalo superpočítaču neuveriteľných 40 minút. Tento rozdiel ilustruje, že simulovať mozog nie je to isté ako vykonávať izolované matematické operácie vysokou rýchlosťou.

Nekonečný regres a vedomie vlastného myslenia

Slávnym argumentom proti podobnosti ľudského a umelého myslenia je nekonečný regres. Ľudia môžu myslieť na to, na čo v skutočnosti myslia.

Ak by to mal urobiť počítač, bude premýšľať o tom, na čo myslí, na čo myslí, na čo myslí, na čo myslí, až kým nepríde programátor a nenapíše do programu výnimku.

Naproti tomu človek môže uniknúť nekonečnému regresu, aj keď nie je zrejmé, ako presne to robí. Existuje množstvo matematických a psychologických názorov, ktoré takýto argument z jednej či druhej strany relativizujú; nikto však zatiaľ neponúkol všeobecne prijateľné vysvetlenie.

Zdá sa teda rozumné držať sa presvedčenia, že ľudské heuristické a počítačové algoritmické myslenie sú odlišné, rovnako ako ich elektronické a biologické základy.

Chyby, neurónové siete a tvorivosť

Výskumný tím zo Stanfordovej univerzity v Kalifornii vyvíja nový procesor, ktorý nazvali Neurogrid. Bude sa síce tiež skladať z miliónov tranzistorov, ale ich rozmiestnenie bude úplne iné ako v súčasných počítačoch.

Procesor Neurogrid má kopírovať sieť neurónov v ľudskom mozgu, a preto má byť výkonnejší než najlepšie procesory dneška. Jeho nevýhodou však bude to, že bude robiť aj veľké množstvo chýb, podobne ako pri ľudskom myslení.

Veľkých chýb sa však nemusíme obávať, pretože ľudský mozog tiež nie je bezchybný, napriek tomu však dokáže pracovať efektívne. Práve niektoré chyby neurónových spojov v mozgu sú podľa viacerých vedcov pravou príčinou ľudskej tvorivosti.

Každý umelý neurón v procesore Neurogrid bude predstavovať 340 tranzistorov, takže celkový počet týchto neurónov má byť 65 536. Procesor tak napodobní činnosť ľudského mozgu.

Hlavným rozdielom medzi počítačom Neurogrid a súčasnými superpočítačmi budú výsledky. Kým počítač s bežným procesorom príde vždy k rovnakej odpovedi, Neurogrid ich ponúkne viac.

Niektoré síce budú chybné, ale nové riešenia budú originálne. Tak ako u mysliaceho človeka.

Superpočítače napodobňujúce mozog

Do prevádzky sa už čoskoro dostane doteraz najvýkonnejší superpočítač v histórii, ktorého výkon má dosiahnuť 228 biliónov synaptických operácií za sekundu, čím sa má vyrovnať mozgu.

Ľudský mozog sa podľa niektorých odhadov pohybuje na úrovni jedného exaflopu, čo umožňuje vykonať za jedinú sekundu až miliardu miliárd matematických operácií. Biologické mozgy však využívajú iné princípy než digitálne počítače a tieto princípy zatiaľ nie sú dostatočne pochopené, takže ich výpočtovú schopnosť možno porovnávať iba približne.

Cieľom tohto projektu je najmä lepšie pochopenie ľudského mozgu, ktorý je aj naďalej pomerne nepochopeným orgánom a zároveň zrejme najkomplikovanejším prirodzene sa vyskytujúcim objektom, ktorý poznáme.

Zaujímavá je predovšetkým efektivita, s akou zvláda všetky tie miliardy matematických operácií: jeho spotreba je len približne 20 wattov. Superpočítače sa síce začínajú približovať k výkonu ľudského mozgu, avšak ich efektivita je katastrofálna.

DeepSouth a hranice klasických superpočítačov

Momentálne najvýkonnejší superpočítač na svete, známy ako Hewlett Packard Enterprise Frontier, potrebuje pri prevádzke výkon až 22,7 MW, teda 22 700 000 wattov. Akoby to nestačilo, rozprestiera sa na ploche 680 m², čo je s ľudským mozgom prakticky neporovnateľné.

Pre neurovedu má byť superpočítač s názvom DeepSouth obrovským skokom vpred. Vedci dúfajú, že im takýto výskum a lepšie chápanie ľudského mozgu umožní v budúcnosti vytvárať kyborgov a umelé mozgy s oveľa vyšším výkonom, než má ľudský mozog.

Počítače sa zlepšujú z roka na rok a rôzne spoločnosti či laboratóriá konštruujú neustále výkonnejšie zariadenia. Spoločnosť Nvidia predstavila superpočítač s umelou inteligenciou schopný výkonu na úrovni jedného exaflopu.

Vo svojich útrobách spája až 256 čipov Grace Hopper Superchips do jediného GPU. Celý systém je pritom navrhnutý tak, aby zvládal najnáročnejšie odporúčacie systémy, generatívnu umelú inteligenciu a rôzne veľké analýzy.

Systém bude navyše disponovať 144 TB zdieľanej pamäte. Pre porovnanie, to je takmer 500-krát viac, ako poskytoval predchádzajúci superpočítač Nvidie s kódovým označením DGX A100 predstavený len pred tromi rokmi.

Budú procesory fungovať ako ľudský mozog?

Počítače dnes ovládajú takmer celú našu planétu. Nie je preto nič neobvyklé, že vedci sa stále snažia zvyšovať výkony osobných počítačov.

Za ľudským mozgom však stále zaostáva aj najvýkonnejší superpočítač dneška, Blue Gene, ktorý má výkon už jeden petaflop. Otázkou preto zostáva, či sa budú niekedy procesory počítačov správať ako ľudský mozog.

Počítač, ktorý začne pracovať s procesorom Neurogrid, môže byť prvým krokom k samostatne mysliacemu počítaču. Ak sa procesor Neurogrid podarí úspešne dokončiť, počítače by tak onedlho mohli mať aj vlastnú umelú inteligenciu.

Aby mohol počítač naplno konkurovať schopnostiam a možnostiam ľudského mozgu, bude musieť byť vynájdený úplne iný systém s úplne odlišnou architektúrou, ktorý si v súčasnosti dokážeme sotva predstaviť.

Podľa iných názorových prúdov nebude problém vyvinúť a vložiť do počítača mozog podobný ľudskému, pretože sa stále jedná „len“ o akúsi fyzikálnu hmotu. Problém je inde: stále presne nevieme, ako táto fyzikálna hmota funguje.

Čo môže počítač získať od mozgu

Vývoj neuromorfných procesorov sa snaží napodobniť spôsob, akým neuróny a synapsy spracúvajú informácie. Takéto systémy nemusia byť optimalizované na to, aby vždy poskytli jedinú presnú odpoveď.

Namiesto toho môžu vytvárať viacero možných riešení, učiť sa z odchýlok a využívať vlastnosti, ktoré sú pri klasickom výpočte považované za chyby. Takýto prístup je bližší rozpoznávaniu vzorov, adaptácii a tvorivému hľadaniu nových možností.

Biologický mozog sa sám zostavuje z jedinej bunky a je samoučiacim sa systémom, ktorý dokáže zvládnuť fyziku, matematiku, jazyk, umenie, hudbu aj šport bez toho, aby bol na každú z týchto činností výslovne naprogramovaný.

Čo môže počítač ukázať o hraniciach výpočtov

Porovnanie mozgu a počítača otvára aj otázku, aká účinná môže byť výpočtová technika podľa fyzikálnych zákonov. Ak máme výpočtové zariadenie z molekúl, ktoré pracuje pri izbovej teplote 300 K, maximálne množstvo výpočtov vykonaných na jeden watt stále nie je známe.

Touto otázkou sa zaoberajú fyzici, inžinieri, informatici aj biológovia. Maximálne množstvo výpočtov na jednotku hmotnosti je približne známe, ak odstránime obmedzenie práce pri izbovej teplote a použitia molekulárnych súčiastok.

Seth Lloyd a ďalší odborníci použili približné odhady založené na kvantovej mechanike, špeciálnej relativite, štatistickej fyzike a všeobecnej relativite. Ukázali, že maximálne množstvo výpočtov, ktoré možno vykonať s kilogramom hmoty, je približne 10⁵⁰ flopov.

Táto hodnota je oveľa vyššia než približne 10¹⁷ flopov, ktoré dosahuje ľudský mozog. Dosiahnutie tejto hranice je však úplne nepraktické, pretože by si vyžadovalo zahriať kilogram hmoty na mimoriadne horúcu plazmu s teplotou 10⁹ K a súčasne túto plazmu stlačiť do čiernej diery.

Výpočtová hranica by sa potom dosiahla práve v okamihu, keď by plazma nezvratne prechádzala horizontom udalostí čiernej diery.

Počítač ako nástroj na tréning mozgu

Počítačová technika nemusí byť iba konkurentom mozgu. Špeciálny tréning mozgu s použitím počítačovej techniky nazvanej EEG biofeedback môže pomôcť mnohým deťom, ktoré sú napríklad hyperaktívne alebo majú problémy v škole.

EEG biofeedback učí nenásilnou hravou metódou meniť a upravovať elektrickú aktivitu mozgu do optimálnej podoby. Dieťa sedí v kresle pred monitorom s elektródami na hlave a sleduje počítačovú hru.

Jeho úlohou je sústrediť sa tak, aby autíčko nevybočilo z pravého pruhu. Počítač ovláda vlastným mozgom. Čím pokojnejšie dokáže byť, tým viac sa mu darí.

Priebeh dejov v jeho mozgu sleduje terapeut na vedľajšom monitore. Metódou sa mení a upravuje inak mimovoľne riadená elektrická aktivita mozgu do optimálnej polohy.

Tréning mozgu je podľa uvedeného opisu vhodný na zlepšenie školskej zrelosti v predškolskom aj školskom veku dieťaťa, pokiaľ si rodič nie je istý pripravenosťou svojho dieťaťa na školskú dochádzku alebo ak sa mu zdá vzdorovité a hyperaktívne.

Zvlášť vhodný je tréning EEG biofeedback pre deti, ktorým je odporúčaný odklad školskej dochádzky, majú poruchu reči, pretrváva u nich nočné pomočovanie alebo majú problémy v kolektíve v predškolskom zariadení.

V predškolskom veku sú tréningy vhodné aj ako prevencia dyslexie, teda poruchy čítania, ktorá podľa výskumov vzniká po narodení, čiže dávno predtým, ako sa dieťa začína učiť čítať.

Včasnou nápravou ľahkých mozgových dysfunkcií v predškolskom veku možno zabrániť mnohým problémom v škole tak pre dieťa, rodiča, ako aj učiteľa.

V školskom veku je tréning mozgu vhodný pre deti s poruchami pozornosti a sústredenia, takzvaným blúdením myšlienok, denným snením, poruchami učenia a správania, nepokojom, agresivitou alebo impulzivitou.

Správanie sa môže upokojiť, dieťa sa môže lepšie ovládať a tréningami sa posilňujú vôľové vlastnosti a samostatnosť. Tréningy sú vhodné aj pri poruchách spánku, problémoch so zaspávaním, častom nočnom budení, nočných desoch alebo kombinovanej nespavosti.

Nespavosť a enuréza, teda nočné pomočovanie, patria medzi najspoľahlivejšie indikácie EEG biofeedbacku. Tréningy pomáhajú aj deťom s autizmom alebo deťom po detskej mozgovej obrne.

Metóda je vhodná aj pre dospelých, študentov s problémami učenia alebo prepracovaných a vystresovaných manažérov.

tags: #vykon #mozgu #v #porovnani #s #pocitacom