Zakaj se trudimo primerjati računalnik z organom, ki ga imamo v glavi?
Marjan Kodelja 18. oktobra 2017 ob 06:28

Možgane je oblikovala narava v procesu evolucije, ki se je začela s pojavom prvega živega organizma na zemlji. So posledica milijonov in milijonov let prilagajanja okolju. Računalnike pa smo naredili ljudje v nekaj desetletjih s pomočjo znanosti, ki so si jo izmislili prav ti »možgani«. Zato je veliko tistih, ki mislijo, da človek ni sposoben narediti nekaj bolje, kot je to naredila narava v milijonih letih. Možgani so namreč še zdaj, kljub tehnološkemu napredku, velika neznanka. Verjetno več vemo o Marsu kot o tem, kako delujejo. Ali jih sploh lahko primerjamo z delovanjem analognih ali digitalnih računalnikov v oblikah, kot smo jih izumili?

Tudi računalnik je le neumen stroj

Beseda stroj opisuje napravo, ki izvaja nalogo, zaradi katere je narejena, in jo nespametno ponavlja do onemoglosti ali dokler je ne izključimo. Z dodajanjem tipal se lahko stroj sicer prilagaja svoji okolici, morda se celo zdi, da tak stroj dela po svoji pameti, vendar je v ozadju še vedno od človeka napisan program, spisek navodil, kako naj se odzove. Sposobni smo »sprogramirati« letalo, da to samo poleti iz Ljubljane in pristane v Londonu, vendar zato ni nič bolj pametno kot takrat, ko ga upravlja pilot. Enako velja za računalnik. Čeprav nekateri mislijo, da računalnik »misli«, dejansko tega ne počne. Je le še ena »neumna« naprava – stroj, le da je bolj kompleksen od drugih strojev, ki so jih »možgani« izumili doslej.

Računalniki so z nami že vrsto desetletji, med ljudmi pa so postali priljubljeni pred tridesetimi leti, ko so garažna podjetja začela izdelovati prve računalnike, dostopne sleherniku. Pri celotni stvari govorimo tudi o digitalni revoluciji. Kot da je vse, kar je digitalno, tudi boljše. Večina današnjih računalnikov je digitalnih, obstajajo pa tudi analogni. Razlika med analognim in digitalnim računalnikom ni v tem, kaj počnejo, ampak kako. Analogni računalnik obdeluje informacijo neprestano, zvezno in je sposoben »obdelati« veliko naravnih procesov, sprejme eno ali več vhodnih spremenljivk v obliki zveznih (analognih) signalov, rezultat, izhodni signal, pa predstavlja odnos med njimi. Najbolj preprost analogni računalnik je osciloskop, ki vertikalni in horizontalni signal prikaže kot zvezno funkcijo na zaslonu. Nič ne računa, le prikaže vhodne signale v želenem razmerju. Odnos je matematična funkcija. Analogne elektronske naprave so sposobne rešiti matematične in logične funkcije, kot so logaritmi, integrali in diferencialne enačbe, tudi zapletene, ki bodo digitalnim računalnikom še dolgo predstavljale nerešljive probleme. Njihova največja slabost pa je nezmožnost »enostavnega« programiranja, saj »program« predstavlja fizična povezava med deli naprave, zato so konstruirane le za omejeno število funkcij.

Digitalni računalniki so univerzalne naprave, ki jih je dokaj preprosto programirati za izvajanje različnih nalog. V osnovi ista elektronika (strojna oprema ali hardver) lahko obdeluje besedila, rešuje matematične enačbe ali nadzira obnašanje robota. Podatki so zapisani v binarni obliki, kot zaporedje enic in ničel. Ničla »0« običajno pomeni nizko napetost (skoraj nič voltov), enica »1« pa pomeni, da je napetost prisotna (običajno 5 ali 3,3 volta). Ena povezava ali ena žica na vodilu, ki med seboj povezuje elemente računalnika, predstavlja en bit informacij – eno bitno besedo (0 ali 1, vklop ali izklop), dve žici dvobitno besedo, kjer imamo že štiri različne podatke oziroma besede (00, 01, 10 ali 11), in tako naprej, do števila povezav, ki povedo, koliko bitni je računalnik. Procesor odloča, kaj pomenijo podatki na vodilu v enem časovnem trenutku. Ti lahko predstavljajo naslov v pomnilniku, kjer je podatek, vsebino pomnilniškega naslova (podatek sam) ali ukaz, ki ga mora procesor izvesti. Ker je delovanje računalnika pogojeno s časovnim protokolom, ki je mimogrede odvisen od frekvence delovanja procesorja, pravimo, da digitalni računalnik »procesira« podatke zaporedno, drugega za drugim. Kar ni popolnoma res, saj se biti besede (dolžina besede pa je odvisna od tega, koliko bitni je računalnik) obdelujejo vzporedno. Analogni računalnik pa vse vhodne spremenljivke »obdela« hkrati in zato omogoča pravo vzporedno delovanje.

Osnovni gradniki elektronike računalnika, bolje rečeno procesorja, so logična vrata, med katerimi so tudi vrata »ALI« in »IN«. Pa si zaradi razumevanja tematike na kratko oglejmo, kako ta vrata delujejo. Recimo, da imamo dve vhodni povezavi. Pri vratih »IN« je na izhodu (izhodna žica) logična »1«, torej je napetost prisotna oziroma skoznje teče tok le, če je napetost prisotna na obeh vhodih. V vseh treh drugih primerih vrednosti besede (00, 01 ali 10) pa je izhod vedno »0«. Zadeva je podobna, kot če bi hoteli iti skozi dvoja zaporedna vrata v neki prostor. V ta prostor lahko pridete le, če so oboja vrata, ki vodijo vanj, odprta. Kakor hitro so ena zaprta, v sobo ne morete. Obratno pa je na izhodu vrat »ALI«. Pri njih je logična »0« (ni napetosti oziroma toka) le, ko sta brez napetosti tudi vhodni povezavi (vhodni podatek je 00), drugače pa je na izhodu vedno logična »1«. Vrata »ALI« lahko primerjamo s sobo z dvojimi sosednjimi vrati. V takšno sobo lahko vstopimo, če so odprta ena, druga ali oboja vrata, nedostopna pa je le, če so oboja vrata zaprta.

Osnovni elementi logičnih vrat so še vedno tranzistorji, te pa, kljub napovedim, še vedno niso zamenjali funkcijsko enaki optični ali molekularni elementi. Tranzistorji imajo v analognem svetu več funkcij, v digitalnem le eno. Prepuščajo tok ali pa ga ne, torej delujejo kot mala stikala. Kaj torej v grobem sestavlja računalnik? Množica tranzistorjev in povezave med njimi.

Ali sploh vemo, kako delujejo možgani?

Čeprav to gotovo ni celotna zgodba, saj o delovanju možganov vemo malo, jih lahko grobo na celični ravni razbijemo na dve vrsti celic, na nevrone in glialne celice, ki so namenjene pretežno podpori in varovanju nevronov. Nevroni prenašajo informacije v obliki električnih ali kemičnih impulzov. Z drugimi nevroni v možganih in drugje po telesu komunicirajo tako, da prek stikov, imenovanih sinapse, pošiljajo molekule kemijskih snovi, imenovane nevrotransmiterji. Česar ne vemo natančno, je, koliko nevronov je v človeškem organizmu. Ocene se gibljejo med 50 milijardami do enega bilijona, največ znanstvenikov pa predvideva, da jih je okoli 100 milijard.

Poenostavljeno naj bi bil nevron sestavljen iz telesa z jedrom in citoplazmo, tako imenovano somo – v njej poteka večina beljakovinske sinteze -, dendrita in nevrita. Dendrit je izrastek iz some, navadno drevesasto razvejen in je glavni del nevrona za sprejemanje informacij od sosednjih nevronov (vhodni podatki). Nevrit s premerom okoli enega mikrometra in dolžino tudi do enega metra posreduje informacijo naprej in se zaključi z živčnim končičem. Ko je dendrit prav stimuliran (sprejme električni impulz), nevron, na katerega je pritrjen, nenadoma spremeni svojo električno polarnost in lahko pošlje električni impulz prek svojega nevrita. Impulz pa sprejmejo nevroni, »pritrjeni« nanj.

Stik med dvema nevronoma imenujemo sinapsa, ki natančneje predstavlja stik med koncem nevrita (živčnim končičem) na eni strani in dendriti na drugi. Povezave so oblikovane v ozkem prostoru med nevroni, imenujemo jih tudi »križišča«, predstavljamo pa si jih lahko kot zaslonko fotoaparata, ki je zaprta ali odprta. Prevajajo lahko električne ali kemične impulze, saj imamo v možganih obe vrsti povezav. Električne sinapse »posreduje« signal v 0,2 milisekunde, kemične pa v 2 milisekundah. Sinapse so v grobem tisto, kar so v računalniku tranzistorji. Signal posredujejo naprej ali pa ga blokirajo in po našem razumevajo, delujejo v binarni logiki.

Koliko flopov imajo možgani?

Računalniku lahko zmogljivost, izraženo v »flopih (operacij s plavajočo vejico) na sekundo«, izmerimo, pri možganih pa jo lahko le ocenimo in upamo, da ima naša ocena realno podlago.

Začnimo pri oceni števila sinaps. Komaj rojeni otrok naj bi imel 2500 sinaps na nevron, število pa se pri odrasli osebi poveča na med 10 do 15 tisoč. Naš biološki računalnik (možgani) naj ima torej srednjo vrednost, 12.500 sinaps na vsak nevron in 22 milijard nevronov v delu možganov, za katerega mislimo, da je zaslužen za spomin, zavedanje, mišljenje. A tudi to je zelo groba ocena prek prsta. Skupaj to predstavlja 275 bilijonov tranzistorjev. Za faktor stotisočkrat več, kot je tranzistorjev v najbolj izpopolnjenem procesorju.

Kako hiter je naš biološki računalnik? Vzemimo zelo konservativno oceno, da vsak nevron posreduje signal 200-krat na sekundo, in upoštevajoč njihovo število in število sinaps dobimo oceno, da je njegova zmogljivost 55 petaflopov na sekundo. Spomnimo, najbolj zmogljiv superračunalnik bo letos dosegel 10 petaflopov, kar pomeni, da so možgani vsaj petkrat hitrejši. Vsaj, saj so nekateri prepričani, da je dejanska zmogljivost možganov, izražena v tej merski enoti, ki smo jo ljudje iznašli za primerjavo računalnikov med seboj, vsaj 100 petaflopov. Manjšina znanstvenikov govori celo o enem eksaflopu (tisoč petaflopov/s).

Koliko pomnilnika imamo?

Prek palca vemo, kolikšna naj bi bila procesorska zmogljivost možganov. Naslednji korak je ocena velikosti »pomnilnika«. Tako možgani kot tudi računalnik hranijo podatke. Kje jih hranijo možgani? Če v nevronih, potem en nevron shrani en bit, kar bi pomenilo, da med 50 do 100 milijard nevronov lahko shrani med 5 in 10 gigabajtov. Če pa podatke hranijo sinapse, po vsaj deset tisoč jih je okoli vsakega nevrona, potem pomnilniška kapaciteta možganov naraste v terabajte, morda celo petabajte.

Predpostavimo, da možgani hranijo podatke podobno kot računalniki, kar jih verjetno ne, in da lahko merimo človeški spomin tako, kot merimo digitalne podatke, česar skoraj gotovo ne moremo. Ko si nekaj zapomnimo, shranimo to neokrnjeno, kot na primer surov format fotoaparata (RAW), ali okrnjeno? Znajo možgani stiskati podatke? Kolikšna je pri tem izguba v kvaliteti »spomina«? Znanstvenik Ed Connor je prepričan, da možgani stiskajo podatke na podoben način kot algoritem jpeg zmanjša velikost fotografije. Očesi vidita okolico v visoki ločljivosti, možgani pa shranijo le najpomembnejše »bite«, ki so potrebni, da možgani lahko pozneje rekonstruirajo »sliko« (spomnimo se, kaj smo gledali). Če je to vsaj približno res, potem imamo v glavi najboljši algoritem stiskanja podatkov, saj smo si sposobni v življenju zapomniti veliko podatkov.

Sposobnost vzporednega delovanja

Dejali smo, da analogni računalniki bolje odražajo naravne procese, kar je posledica stalnih povezav med njegovimi deli. Podobno velja tudi za možgane, ki so stalno povezani z organi zaznave. Oko naj bi imelo ločljivost med 50 in 120 milijonov svetlobnih pik, res dober komercialno dostopen fotoaparat pa 24 milijonov. Razlika med očesom in fotoaparatom pa ni le v ločljivosti, temveč tudi v tem, da je oko prek živčnih povezav stalno povezano s »svojim računalnikom«. Fotoaparat lahko povežemo z računalnikom, vendar ta lahko opravi le eno nalogo naenkrat – pošilja fotografije v pomnilnik, jih prikazuje na zaslonu ali pa jih pošilja na tiskalnik. Če bi možgani delovali na ta način, bi tudi ljudje lahko sočasno opravili le eno nalogo. Lahko bi pogledali, nato premislili in šele nato stegnili roko, da bi ta prijela predmet. Problem bi lahko rešili z večjim številom procesorjev v računalniku, vsakega za določeno opravilo, vendar bi bil, če bi hoteli, da bi bil vsaj približno primerljiv z možgani, prevelik, predrag, za napajanje bi potreboval elektrarno z nekaj megavati in hladilnik v velikosti manjšega mesta.

Nasprotno možganom vzporedno izvajanje ne predstavlja velikega problema, in to pri porabi energije, enaki porabi slabše žarnice. Položaj in povezave med tranzistorji v čipu so stalni in nespremenljivi. Povezave med nevroni v možganih (sinapse) pa se lahko spreminjajo in prilagajajo nalogam. V človeškem telesu je še nekaj deset bilijonov nevronov, ki tvorijo zapleten biološki računalnik, katerega sestavo in delovanje šele začenjamo spoznavati. Zagotovo bomo nekoč zgradili računalnik z zmogljivostjo več eksaflopov, to pa še ne pomeni, da bo zaradi tega presegel zmogljivost možganov. Možgani razumejo delovanje računalnika, svojega delovanja pa še ne in vprašanje je, ali bodo sploh kdaj tega sposobni. In tu pridemo do tiste odločilne omejitve. Če človek izdeluje računalnik iz spoznanj o delovanju svojih možganov in če tega delovanja ne pozna, tudi računalnik ne more biti »pametnejši« od možganov.

 

Naroči se na redna vsakotedenska e-poštna obvestila o novih prispevkih na naši strani.


Avtor Marjan Kodelja
mm
Marjan se s tehnološkim novinarstvom ukvarja od leta 1997 in v tem času je videl že mnogo stvari, ki se nikoli niso uveljavile ali pa so imele kratek čas trajanja. Začel je pri računalniški reviji Moj mikro in ter 2000 postal njen urednik. Veliko kasneje je bil urednik naprej tednika Stop in nato še tednika Vklop, trenutno pa kruh služi s pisanjem tehnoloških člankov.
Marjan Kodelja - prispevki
Brez komentarjev

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja