一天燒207噸煤的AI，不如消耗三根香蕉的人腦算力高？

AI的電力黑洞

這兩年，AI公司正在進(jìn)入一個(gè)越來(lái)越“耗電”的時(shí)代。

為了訓(xùn)練規(guī)模越來(lái)越大的模型，各大科技公司不斷擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心。成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器晝夜運(yùn)轉(zhuǎn)，電力消耗動(dòng)輒以兆瓦計(jì)算。為了保證未來(lái)的電力供應(yīng)，一些公司甚至開始直接投資電廠，或者與能源企業(yè)合作建設(shè)專用電力設(shè)施。

位于得克薩斯州西部的 GW Ranch 數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目渲染圖，

圖中展示了現(xiàn)場(chǎng)安裝的天然氣發(fā)電設(shè)施和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施。

圖源：Pacifico Energy

算力越強(qiáng)，能源消耗也越大。

龐大的數(shù)據(jù)中心不僅消耗大量電力，還需要大量水資源進(jìn)行冷卻，對(duì)環(huán)境和氣候都帶來(lái)壓力。

但有趣的是，人類其實(shí)早就擁有一臺(tái)遠(yuǎn)比現(xiàn)有AI更高效的“計(jì)算機(jī)”。它不僅隨身攜帶，而且?guī)缀趺總€(gè)人都有——那就是我們的大腦。

只要20瓦的大腦

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology）的研究科學(xué)家阿德瓦伊特·馬達(dá)范（Advait Madhavan）在2023年寫道：“人類大腦是一種令人驚嘆的高能效設(shè)備。從計(jì)算能力來(lái)看，它每秒可以完成相當(dāng)于1 exaflop 的運(yùn)算——也就是10的18次方次數(shù)學(xué)計(jì)算——而只需要20瓦的功率?！?/p>

如果從人體結(jié)構(gòu)來(lái)看，大腦確實(shí)算得上一個(gè)“耗能器官”。按重量計(jì)算，它只占人體體重的大約2%，卻消耗了人體約20%的基礎(chǔ)代謝能量。

但從絕對(duì)數(shù)值來(lái)看，這其實(shí)并不算多。假設(shè)一個(gè)成年人每天攝入2700千卡熱量，其中大約340千卡用于維持大腦運(yùn)轉(zhuǎn)。

換算成電能，大約是0.4千瓦時(shí)——只夠讓一只傳統(tǒng)的60瓦白熾燈亮不到7個(gè)小時(shí)。

甚至還不如吃三根香蕉獲得的能量。

換句話說(shuō)，你每天只需要“三根香蕉級(jí)別”的能量，就能驅(qū)動(dòng)這臺(tái)極其復(fù)雜的“生物計(jì)算機(jī)”。

要20兆瓦的超級(jí)計(jì)算機(jī)

如果把人腦和現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)比，這種差距就更加明顯。

世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一——Frontier supercomputer——最近也實(shí)現(xiàn)了exaflop級(jí)計(jì)算能力。但要完成同樣的運(yùn)算，它需要大約20兆瓦的功率，比人腦高出整整一百萬(wàn)倍。

圖源：wikipedia

如果換算成能源消耗，讓這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行一天，大約需要燃燒207噸煤，同時(shí)產(chǎn)生約340噸二氧化碳。

如果不用煤，也可以燃燒約12萬(wàn)升液態(tài)石油，排放量大約是前者的一半；或者燃燒8400萬(wàn)升天然氣，產(chǎn)生約74噸二氧化碳。

顯然，這樣的能源消耗不可能無(wú)限制地持續(xù)下去。

但另一方面，計(jì)算機(jī)和人工智能——以及它們不斷增長(zhǎng)的算力需求——在短時(shí)間內(nèi)也不會(huì)消失。

于是，一個(gè)問(wèn)題開始變得越來(lái)越重要：既然大腦能用這么少的能量完成復(fù)雜計(jì)算，人類能不能從大腦身上學(xué)到一些東西？

大腦為什么這么高效？

有一個(gè)流傳很廣的說(shuō)法認(rèn)為，人類只使用了10%的大腦。

這個(gè)說(shuō)法其實(shí)并不正確。

現(xiàn)實(shí)情況是，大多數(shù)時(shí)候我們都會(huì)使用大腦的大部分區(qū)域，而在某些情況下，幾乎整個(gè)大腦都會(huì)參與活動(dòng)。

圖源：remapstudio

不過(guò)，這個(gè)說(shuō)法確實(shí)暗示了一點(diǎn)：大腦并不會(huì)在同一時(shí)間動(dòng)用所有神經(jīng)元。

2024年，Chang Xu（悉尼大學(xué)人工智能中心副教授）解釋說(shuō)，大腦大約擁有1000億個(gè)神經(jīng)元，但它會(huì)根據(jù)任務(wù)不同，從不同腦區(qū)選擇性地調(diào)用這些神經(jīng)元。

只需要二十多瓦的功率，大腦就能驅(qū)動(dòng)整個(gè)身體運(yùn)作。

它可以在腦海中形成內(nèi)心獨(dú)白，也可以憑空想象畫面；當(dāng)有人向你扔來(lái)一個(gè)球時(shí)，大腦能夠迅速識(shí)別球的形狀，計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)測(cè)落點(diǎn)，并把你的手移動(dòng)到正確位置完成接球——這一切都發(fā)生在幾毫秒之內(nèi)。

同時(shí)計(jì)算的力量

科學(xué)家一直試圖在人工系統(tǒng)中復(fù)制這種效率，但始終非常困難，其中一個(gè)原因在于計(jì)算方式的不同。

2018年，Think Tank: Forty Scientists Explore the Biological Roots of Human Experience一書中，Liqun Luo（斯坦福大學(xué)生物學(xué)教授）指出，計(jì)算機(jī)和大腦最重要的差別之一在于信息處理方式。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通常按順序一步一步執(zhí)行任務(wù)。工程師編寫程序時(shí)，會(huì)設(shè)計(jì)一條連續(xù)的指令流程。

在這種結(jié)構(gòu)中，每一步都必須非常精確，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)錯(cuò)誤，就會(huì)在后續(xù)步驟中不斷累積并放大。

雖然大腦有時(shí)也會(huì)使用類似的順序步驟，但它還有另一種能力——大規(guī)模并行處理。

圖源：iflscience

以接球?yàn)槔?/p>

如果由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，它需要先識(shí)別球，再測(cè)量運(yùn)動(dòng)，再計(jì)算軌跡，再計(jì)算落點(diǎn)，最后才能控制你的手移動(dòng)到指定位置。

而人腦幾乎是在同一時(shí)間完成這些步驟。

來(lái)自視網(wǎng)膜的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩三次突觸連接后，關(guān)于球的位置、方向和速度的信息就已經(jīng)被提取出來(lái)，并以并行方式傳送到大腦。

與此同時(shí)，大腦的運(yùn)動(dòng)皮層會(huì)同時(shí)向腿部、軀干、手臂和手腕發(fā)出指令，讓身體在同一時(shí)間調(diào)整到合適位置，從而接住飛來(lái)的球。

模仿大腦計(jì)算

正因?yàn)槿绱?，越?lái)越多計(jì)算機(jī)工程師開始嘗試讓計(jì)算機(jī)模仿大腦。

2024年，Suin Yi（德克薩斯農(nóng)工大學(xué)工程學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程助理教授）指出，傳統(tǒng)AI模型主要依賴一種叫做反向傳播的訓(xùn)練方法，但這種方法在生物學(xué)上并不符合真實(shí)大腦的學(xué)習(xí)機(jī)制。

因此，如果想打造更接近人腦的計(jì)算機(jī)，就需要重新設(shè)計(jì)算法和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

例如，薩里大學(xué)的研究人員正在研究一種名為Topographical Sparse Mapping的技術(shù)，讓神經(jīng)元只與附近節(jié)點(diǎn)連接，從而顯著降低能耗。

另一種改進(jìn)方法Enhanced Topographical Sparse Mapping還能進(jìn)一步刪除不必要的連接，就像人類大腦在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)逐漸精簡(jiǎn)神經(jīng)連接一樣。

去年，莫森·卡梅利安·拉德（Mohsen Kamelian Rad）表示，當(dāng)模仿大腦的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，AI系統(tǒng)可以學(xué)習(xí)得更快，同時(shí)消耗更少能量。

下一代計(jì)算機(jī)

與此同時(shí)，悉尼大學(xué)和布法羅大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也在開發(fā)類似的類腦神經(jīng)模型。

他們希望的不只是更節(jié)能的計(jì)算機(jī)，還包括更靈活的系統(tǒng)——能夠利用有限甚至模糊的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，并以非線性的方式處理問(wèn)題。

正如阿德瓦伊特·馬達(dá)范所說(shuō)，下一代計(jì)算機(jī)可能會(huì)與今天的計(jì)算機(jī)完全不同。隨著人類收集的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，計(jì)算系統(tǒng)的需求也在改變。

而答案，也許早就寫在我們自己的大腦里。

讓我們說(shuō)：謝謝大腦！

大腦由數(shù)十億的神經(jīng)元構(gòu)成，它控制著我們的思想、動(dòng)作、行為和情緒，是我們意識(shí)的所在地，一直以來(lái)，科學(xué)家在不斷探索大腦是如何運(yùn)作的。這本全面、通俗易懂且插圖豐富的書是對(duì)人體中最復(fù)雜器官的一次引人入勝的探索。

本書結(jié)合了最新的圖像技術(shù)，非常具有趣味性地探討了諸如我們?nèi)绾胃兄澜?，我們?nèi)绾萎a(chǎn)生記憶，我們的情緒由誰(shuí)掌控等問(wèn)題。通過(guò)本書，讀者可以了解自己，了解大腦。本書適合對(duì)大腦及生命科學(xué)感興趣的讀者。