一天烧207吨煤的AI，不如消耗三根香蕉的人脑算力高？

AI的电力黑洞

这两年，AI公司正在进入一个越来越“耗电”的时代。

为了训练规模越来越大的模型，各大科技公司不断扩建数据中心。成千上万台服务器昼夜运转，电力消耗动辄以兆瓦计算。为了保证未来的电力供应，一些公司甚至开始直接投资电厂，或者与能源企业合作建设专用电力设施。

位于得克萨斯州西部的 GW Ranch 数据中心项目渲染图，

图中展示了现场安装的天然气发电设施和太阳能发电设施。

图源：Pacifico Energy

算力越强，能源消耗也越大。

庞大的数据中心不仅消耗大量电力，还需要大量水资源进行冷却，对环境和气候都带来压力。

但有趣的是，人类其实早就拥有一台远比现有AI更高效的“计算机”。它不仅随身携带，而且几乎每个人都有——那就是我们的大脑。

只要20瓦的大脑

美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）的研究科学家阿德瓦伊特·马达范（Advait Madhavan）在2023年写道：“人类大脑是一种令人惊叹的高能效设备。从计算能力来看，它每秒可以完成相当于1 exaflop 的运算——也就是10的18次方次数学计算——而只需要20瓦的功率。”

如果从人体结构来看，大脑确实算得上一个“耗能器官”。按重量计算，它只占人体体重的大约2%，却消耗了人体约20%的基础代谢能量。

但从绝对数值来看，这其实并不算多。假设一个成年人每天摄入2700千卡热量，其中大约340千卡用于维持大脑运转。

换算成电能，大约是0.4千瓦时——只够让一只传统的60瓦白炽灯亮不到7个小时。

甚至还不如吃三根香蕉获得的能量。

换句话说，你每天只需要“三根香蕉级别”的能量，就能驱动这台极其复杂的“生物计算机”。

要20兆瓦的超级计算机

如果把人脑和现代超级计算机进行对比，这种差距就更加明显。

世界上最强大的超级计算机之一——Frontier supercomputer——最近也实现了exaflop级计算能力。但要完成同样的运算，它需要大约20兆瓦的功率，比人脑高出整整一百万倍。

图源：wikipedia

如果换算成能源消耗，让这台超级计算机运行一天，大约需要燃烧207吨煤，同时产生约340吨二氧化碳。

如果不用煤，也可以燃烧约12万升液态石油，排放量大约是前者的一半；或者燃烧8400万升天然气，产生约74吨二氧化碳。

显然，这样的能源消耗不可能无限制地持续下去。

但另一方面，计算机和人工智能——以及它们不断增长的算力需求——在短时间内也不会消失。

于是，一个问题开始变得越来越重要：既然大脑能用这么少的能量完成复杂计算，人类能不能从大脑身上学到一些东西？

大脑为什么这么高效？

有一个流传很广的说法认为，人类只使用了10%的大脑。

这个说法其实并不正确。

现实情况是，大多数时候我们都会使用大脑的大部分区域，而在某些情况下，几乎整个大脑都会参与活动。

图源：remapstudio

不过，这个说法确实暗示了一点：大脑并不会在同一时间动用所有神经元。

2024年，Chang Xu（悉尼大学人工智能中心副教授）解释说，大脑大约拥有1000亿个神经元，但它会根据任务不同，从不同脑区选择性地调用这些神经元。

只需要二十多瓦的功率，大脑就能驱动整个身体运作。

它可以在脑海中形成内心独白，也可以凭空想象画面；当有人向你扔来一个球时，大脑能够迅速识别球的形状，计算运动轨迹，预测落点，并把你的手移动到正确位置完成接球——这一切都发生在几毫秒之内。

同时计算的力量

科学家一直试图在人工系统中复制这种效率，但始终非常困难，其中一个原因在于计算方式的不同。

2018年，Think Tank: Forty Scientists Explore the Biological Roots of Human Experience一书中，Liqun Luo（斯坦福大学生物学教授）指出，计算机和大脑最重要的差别之一在于信息处理方式。

传统计算机通常按顺序一步一步执行任务。工程师编写程序时，会设计一条连续的指令流程。

在这种结构中，每一步都必须非常精确，因为一旦出现错误，就会在后续步骤中不断累积并放大。

虽然大脑有时也会使用类似的顺序步骤，但它还有另一种能力——大规模并行处理。

图源：iflscience

以接球为例。

如果由计算机来完成，它需要先识别球，再测量运动，再计算轨迹，再计算落点，最后才能控制你的手移动到指定位置。

而人脑几乎是在同一时间完成这些步骤。

来自视网膜的信号经过两三次突触连接后，关于球的位置、方向和速度的信息就已经被提取出来，并以并行方式传送到大脑。

与此同时，大脑的运动皮层会同时向腿部、躯干、手臂和手腕发出指令，让身体在同一时间调整到合适位置，从而接住飞来的球。

模仿大脑计算

正因为如此，越来越多计算机工程师开始尝试让计算机模仿大脑。

2024年，Suin Yi（德克萨斯农工大学工程学院电气与计算机工程助理教授）指出，传统AI模型主要依赖一种叫做反向传播的训练方法，但这种方法在生物学上并不符合真实大脑的学习机制。

因此，如果想打造更接近人脑的计算机，就需要重新设计算法和网络结构。

例如，萨里大学的研究人员正在研究一种名为Topographical Sparse Mapping的技术，让神经元只与附近节点连接，从而显著降低能耗。

另一种改进方法Enhanced Topographical Sparse Mapping还能进一步删除不必要的连接，就像人类大脑在学习过程中会逐渐精简神经连接一样。

去年，莫森·卡梅利安·拉德（Mohsen Kamelian Rad）表示，当模仿大脑的拓扑结构时，AI系统可以学习得更快，同时消耗更少能量。

下一代计算机

与此同时，悉尼大学和布法罗大学的研究团队也在开发类似的类脑神经模型。

他们希望的不只是更节能的计算机，还包括更灵活的系统——能够利用有限甚至模糊的数据进行推理，并以非线性的方式处理问题。

正如阿德瓦伊特·马达范所说，下一代计算机可能会与今天的计算机完全不同。随着人类收集的数据越来越多，计算系统的需求也在改变。

而答案，也许早就写在我们自己的大脑里。

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