1.發展歷史
為了回答「人腦是一台計算機嗎」這個問題，先來了解一下計算機的發展歷史，根據計算機的發展總結計算機的特點。
1931 年，Vannevar Bush 在麻省理工學院 (MIT) 發明並製造了差分分析儀，這是第一台大型自動通用機械模擬計算機，這台機器使用機械積分器（變速齒輪）來求解微分方程。
特點：差分分析儀採用機械結構。
1941 年，Atanasoff 和 Clifford Berry 設計了世界上第一台真正意義上的電子數字計算機，用了300個電子管，稱為 Atanasoff–Berry Computer (ABC)。不過這台機器還只是個樣機，並沒有完全實現阿塔那索夫的構想。
特點：ABC開創了計算機的兩個重要元素：二進位算術，電子開關。
1946年，ENIAC在美國宣告誕生，全稱為Electronic Numerical Integrator And Computer，即電子數字積分計算機，ENIAC是繼ABC（阿塔納索夫-貝瑞計算機）之後的第二台電子計算機。它是完全的電子計算機，能夠重新編程，解決各種複雜計算問題。美國國防部用它來進行彈道計算。它是一個龐然大物，用了18000個電子管，占地170平方米，重達30噸，耗電功率約150千瓦，每秒鐘可進行5000次運算。
特點：ENIAC計算機開創了現代計算機的重要元素：二進位算術，電子開關，可重複編程。
根據計算機的發展過程，可知計算機是一種高度自動化的、能夠按照預先設定的程序進行高速數值運算和邏輯判斷的現代化職能電子設備；其內部被傳送、存儲和運算的信息都是以電信號形式表示的2進位數字。計算機有如下基本特徵：
1、計算機採用電子器件為基本部件。
2、計算機內部採用二進位運算。
3、計算機可以進行複雜高速運算。
46億年前地球形成，35－38億年前細胞形式的生命就已經出現，從南方古猿算起人類的出現，則有200～300萬年。
經過數十億年才最終進化演變出來的人類大腦是一台計算機嗎？是一台如何性能的計算機呢？
2.人腦與計算機對比
2.1基礎單元
人腦基礎單元
人腦是大自然創造的最精密，最複雜的器官。人腦的神經系統由神經元組成，神經元是人腦神經的基本單元。神經元能感知環境變化，能將信息傳遞給其他神經元，並指令機體做出反應。
神經元由胞體、軸突、樹突幾個部分組成。
胞體
胞體是神經元的核心，像一個八爪魚，典型的神經元的胞體的直徑大約為20um。胞體內含有細胞核，內質網，高爾基體，線粒體。
軸突
軸突是神經元細胞特有的結構，軸突承擔了神經系統中信息傳遞的使命。人類神經系統中軸突的長度有些小於1mm ，有些大於1米。這些軸突能作為「電線」傳遞信息。
樹突
樹突的作用相當於神經元的天線，樹突上覆蓋有成千上萬的突觸，突觸上有很多受體，用於感知神經「信號」
計算機基礎單元
組成現代計算機最基礎的單元是電晶體，電晶體組成邏輯門，邏輯門組成複雜的數字電路。電晶體泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件，包括各種半導體材料製成的二極體、三極體、場效應管、晶閘管等。這些電晶體的組合可以使電信號在通過它們之後，產生新的高電平或低電平的信號。
2.2基礎信號
神經元信號
神經元內部和外部有大量的帶電離子，並且這些帶電離子濃度不一致，導致神經元內部和外部存在電壓差。
根據離子濃度，使用Goldman方程計算出的膜電位差為-65mV , 使用微電極實際測量出的也是-65mV 。
神經元上有一種名為電壓門控通道，該通道可以讓指定的離子通過，從而改變神經元內部電壓。
當神經元接受到「信號」之後，電壓門控通道打開，使得神經元內部電壓改變，最終神經元生產了一個動作電位，動作電位的波形如下：
動作電壓波形可以看作脈衝信號，由圖可知動作電位的脈衝電壓差約為100mV ,動作電壓的脈衝信號時間約為2ms 。
計算機信號
現代計算機存儲和處理的數據採用二值電信號，二值信號能夠能容易的表示和存儲，例如，可以表示為穿孔紙袋上的有孔和無孔，導線上的高電平和低電平。
小結：
組成人腦最小單元的神經元使用的是約100mV電信號，並且信號的值是有動作電位和無動作電位，由此可見人腦使用的是二進位電信號。
2.3執行速度
神經元執行速度
神經元上的電壓門控通道可以讓指定的離子進入神經元，從而改變神經元內部電壓產生動作電位。
電壓門控通道並不能不受任何限制的隨意開關，電壓門控通道開關控制有如下特性：
1、通道開發有短暫的延遲。
2、通道開發的時間約為ms，然後關閉。
3、只有當膜電位恢復後，通道才會再次打開。
神經元的動作電位的速率是有上限的，最大的產生頻率大約為1000Hz。就是說當一個動作電位產生後，1ms以內不可能再產生下一個動作電位，這段時間稱為絕對不應期。此外，在絕對不應期後的幾個毫秒內要產生下一個動作電位也比較困難，這段時間稱為相對不應期。
計算機執行速度
麒麟9000晶片是國貨之光的華為公司於2020年10月22日發布的基於5nm工藝製程的手機Soc，集成多達153億個電晶體，包括一個3.13GHz A77大核心、三個2.54GHz A77中核心、四個2.04GHz A55小核心，最高主頻可達3.13GHz。
神經元的最高工作頻率為1KHz,因此人類大腦的最高工作頻率就是1KHz。而目前計算機的工作頻率可以達到3GHz，工作頻率之比為1:3000000 ，這就是說人類大腦工作1秒，計算器已經工作了34.7天了。
小結：
人腦使用二進位電信號，是一台標準的電子計算機，由於神經元的最高工作頻率為1KHz，因此人腦是一台工作頻率為1KHz的計算機。
人類大腦就這麼弱嗎？
當然不是，接下來我來介紹一下大腦的神奇能力，看看1KHZ大腦是如何吊打3GHz計算機的。
3.大腦為何如此強大
3.1並行能力
計算機可以為我們執行豐富的應用程式，可以「同時」滿足我們的各種使用需要。計算機之所以能同時完成我們各種需求，是因為計算機系統能「並行」執行多個用戶的應用程式。
事實上計算機並不是真正的並行執行多個任務，而是：宏觀並行，微觀串行。
某一時刻計算機只能運行一個應用程式，計算器依次高速調度執行應用程式，實現多個任務輪流運行，給用戶的宏觀體驗是多個應用程式同時運行。
人腦由多個部分組成，主要包括大腦、小腦、間腦、腦幹部分。
1、大腦：大腦是中樞神經系統的最高級部分，完成與高級情感、精神、視力功能，語言功能、肢體運動等相關功能；
2、間腦：完成與睡眠、攝食以及語言、感覺密等相關功能；
3、小腦：主要實現與平衡、精細動作控制等相關功能；
4、腦幹：主要與意識狀態、生命中樞等相關功能；
人腦分為多個組成部分，其中每個組成部分又分為多個功能分區，這每個分區均可以獨立完成特定功能。
人腦中的每個功能分區都可以獨立，同時工作，實現真實意義上的並行。
俗話說「三個臭皮匠頂個諸葛亮」，人腦中許多個功能分區同時工作，高速完成各種複雜控制。無數個小人物在一起也能幹出奇蹟！
大哥帶小弟
人腦不僅是多個功能分區同時並行工作，人腦作為「大哥」還帶了一個「小弟」，這個「小弟」叫做自主神經系統。我們來看看這個「小弟」都能幹些啥。
自主神經系統又稱為植物神經系統，是一個內臟神經中的運動神經系統，自主神經系統可以實現自主控制，正常情況下不需要主動干預。
自主神經系統控制著性命攸關的生理功能，如心率，消化，呼吸速率，瞳孔反應，排尿，性衝動。
交感神經和副交感神經是自主神經系統的重要組成部分。
交感神經的主要功能如下：
瞳孔散大，心跳加快，皮膚及內臟血管收縮，冠狀動脈擴張，血壓上升，小支氣管舒張，胃腸蠕動減弱，膀胱壁肌肉鬆弛，唾液分泌減少，汗腺分泌汗液、立毛肌收縮等。
當機體處於緊張活動狀態時，交感神經活動起著主要作用。
副交感神經作用與交感神經作用相反，它不如交感神經系統具有明顯的一致性，副交感神經主要功能如下：
1、瞳孔縮小以減少刺激，促進肝糖原的生成，以儲蓄能源。 2、引起心跳減慢，血壓降低，支氣管縮小，以節省不必要的消耗。
3、消化腺分泌增加、增進胃腸的活動，促進大小便的排出，保持身體的能量。
副交感神經系統主要維持安靜時的生理需要。
小結：
人腦的並行處理能力遠超當前階段的計算機！
3.2人腦的超能力
人腦除了遠超計算機的並行能力之外，還有很多超能力「碾壓」計算機，主要體現在：
1、視覺能力
2、專用神經通道
3、可塑能力
3.2.1視覺能力
物體反射或者發射的光在眼睛視網膜上成像，視網膜將光信號轉換成光感受器陣列膜電位變化，膜電位變化從視網膜依次經過外側膝狀體LGN、初級視皮層V1、次級視皮層V2 、視皮層第四區V4和下顳葉皮層IT的加工處理，最終形成顏色感知。
我們先來看看外側膝狀體這個神奇的器官，外側膝狀體是位於丘腦的一個的神經核團，直徑只有幾個毫米。因為它的形狀像彎曲的膝蓋，所以叫「膝狀體」。
側膝狀體內部分為6層，這6層分屬兩類——大細胞層和小細胞層。
大細胞層指的是這類細胞的感受野尺寸比較大，小細胞層指的是這類細胞的感受野尺寸比較小。
大細胞和小細胞分別對不同類型的視覺信號敏感，特點如下：
1、大細胞喜歡「運動信息」，對運動的方向、速度信息很敏感，但是對物體的精細結構不敏感。
2、小細胞喜歡「形狀信息」，對物體的精細結構敏感，但對運動信息不敏感。
大細胞和小細胞就將輸入的視覺信號分為兩類，各自打包向皮層傳輸，從而實現了「雙通道並行」的模式。這種並行模式，使得後續視覺皮層檢測多種視覺特徵信息變得更加容易。
計算機視覺系統
特斯拉視覺系統代表著當前計算器視覺識別的先進水平，特斯拉的視覺系統由8個攝像頭環繞車身，視野範圍達 360 度，每個攝像頭採集解析度為1280 × 960，12-Bit, 36Hz的RAW格式圖像，對周圍環境的監測距離最遠可達 250 米。攝像頭捕獲環境中的視覺信息經過一系列神經網絡模型的處理，最終直接輸出3D場景下的 「Vector Space」用於後面的規劃和智駕系統。
相對人腦的視覺識別系統，特斯拉的視覺系統算法並不是非常成熟，很容易因為算法的錯誤識別出現安全事故。比如最典型的案例就是之前發生的「特斯拉無法識別白色卡車」事件，容易出現直接相撞的事故。
3.2.2專用神經通道
在人腦神經系統中有許多專用的神經控制通道，正因為這些專用的通道存在使得人腦神經系統實現更快的閉環控制。
中樞前庭系統有一個非常重要的功能：保持眼睛對一個特定方向的注視，這是通過前庭-眼反射（VOR）來完成的。VOR通過感受頭部的旋轉，來指揮眼睛向相反的方向做補償性的運動，這個運動有助於人將視線牢牢鎖定在視覺目標上。
VOR的有效性取決於自半規管至前庭核，至顱內使眼外肌興奮的核團的特殊連接，正是因為這個專用的控制通道，使得人可以在運動過程中牢牢鎖定在視覺目標。
3.2.3可塑能力
中樞神經系統（CNS）的發育中連接或通道分為3個階段：路徑選擇、靶位選擇、地址選擇。
突觸重排是地址選擇過程中的最後一步，突觸重排是神經元活動和突觸傳遞的結果。例如在視覺系統中一些連接通道網絡在出生前已經產生，然而一些重要的連接通道網絡發育在出生以後，我們最終的成年視覺系統的表現在很大程序上決定於出生後的早期視覺環境的影響。
人腦發育過程中的神經環路形成大多發生在出生前，並且受到兩方面的引導，一是神經細胞和神經細胞間的接觸，另一方面是彌散性化學信號。儘管絕大部分的神經環路都在出生前分布到合適的位置，但是神經細胞最後的連接，發生在嬰幼兒早期的關鍵期，並且受到感覺環境影響。
關鍵期的結束並不意味著突觸可塑性結束。成年腦的前葉和顳葉的一些更高級的皮層區域也能表現出可塑性。在整個生命過程中，環境在某種程度上影響著大腦。
4.參考資料
1、《神經科學——探索腦》 —— Mark F. Bear、Barry W. Connors、Michael A. Paradiso
2、《深入理解計算機系統 》 ——Randal E.Bryant / David O』Hallaron
3、《計算機組成與設計》——戴維A.帕特森 (David A.Patterson) / 約翰 L.亨尼斯 (John L.Hennessy)
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作者：李巍
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