人类大脑每秒计算数量级的探讨

      从《海马CA1区ripple节律相关高频放电中间神经元》中对神经元最大放电频率的论述,海马区两类中间神经元峰值放电频率为310±33.17Hz(类型Ⅰ)和410±47.61Hz(类型Ⅱ)。可以推断出人类神经元的最大计算频率在450左右。可以在最大值410+47.61Hz上保守估计为500Hz。

      根据维基百科List of animals by number of neurons人类神经元数量为860亿,突触数量为1014–1015,也就是人类每个神经元平均拥有1163~11628个神经突触。所以大脑每秒最高计算量为860亿乘以500为:43万亿。

      根据现有的神经元计算模型,如下(来源于ufldl.stanford)


      其中平均每个神经元计算1次需要的计算为:

                                                        

      其中n=1163~11628。f 为sigmoid函数或者其他激活函数。f 函数中的浮点计算次数为:2326~23254次。f 函数的浮点计算次数为4次左右,所以整个h浮点计算次数为:2330~23258次(这里忽略I/O的效能、内存的架构、快取内存一致性等,下同)。

      假设以大脑的神经元数量(860亿)为需要模拟的神经元数量,以前面大脑处理频率(500Hz)作为计算频率,那么计算机每秒最高需要的总浮点计算次数为:10~79亿亿次。

      可见现在神经元的计算模型严重依赖于突触的数量,基本上需要的最大计算量是大脑的2325~18327倍。因为我们的大脑不会在同一时间其所有的神经元同时激活,所以这里我们在估算大脑的计算数量级的时候,忽略了大脑神经元的平均激活数量和最大激活数量,而仅仅以总的数量作为计算激活数量。如果以最大激活数量作为我们计算法基准,那么整个计算的数量级可能下降很多,此时计算机需要模拟的每秒最高计算次数:如果下降50%时为,5~39.5亿亿次;下降90%时为,1~7.9亿亿次。

      天河二号的峰值计算速度每秒5.49亿亿次,有高可能性能够模拟人类大脑。

      最近(2016年3月)看了AlphaGo与李世石的比赛时的硬件数据,根据估计其运算速度大概为500万亿次浮点每秒,假设在此时AlphaGo与李世石的用脑量相同,那么模拟人脑所需要的计算量应该比上面估计的还要小。

     可以说当PC计算速度超过1亿亿次浮点每秒的时候,计算(机器)智能将迎来了一个新的纪元,人类也将迎来一个新的纪元。


     文章部分内容属笔者的估计,如有错误请批评指正。



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