Анатолий Протопопов - Мозг экономичный

Современные компьютеры тоже "научились" экономить энергию. Ведь компьютеров стало очень много, используются они очень активно, и их суммарное энергопотребление стало весьма заметным. Да и глобальное потепление тоже заставляет о себе задумываться. Особое значение экономия энергии приобрела в переносных компьютерах - ноутбуках, смартфонах, и т.п., где экономичность сильно сказывается на длительности работы от аккумуляторов, что для таких систем весьма важно.

Не должно быть слишком удивительным то, что подходы к экономичности цифровых компьютеров и нервных систем живых существ, при всех их различиях, определённо схожи - ведь всё это определяется универсальными законами физики.

Как можно снизить энергопотребление рукотворного компьютера?

Ну, очевидно, нужно отключить неиспользуемые модули, модули, без которых можно как-то обойтись. Например, в многоядерных процессорах могут отключаться все ядра, кроме одного; могут отключаться имеющиеся в наличии высокопроизводительные специализированные модули, и даже часть памяти.

Что ещё можно сделать для снижения мощности?

Можно замедлить работу компьютера. В энергетическом смысле компьютер напоминает автомобиль: чем быстрее мы двигаемся, тем больше потребляем топлива на единицу пройденного пути. Так и здесь. Если мы снижаем частоты, задающие темп работы узлов компьютера, то можем снизить и питающие его напряжения. Тем самым квадратично снижая потребляемую мощность. Действительность, конечно, несколько сложнее этой упрощённой картины, но нам нет смысла сюда глубоко вдаваться.

Если необходимо, компьютер в экономичном режиме может не снижать качество и точность выполнения требуемых задач - ведь он работает строго по программе! Ждать результата придётся дольше, но этот экономный результат ничем не будет отличаться от решения неэкономного. В решение могут вовлекаться решительно те же исходные данные, а результат будет содержать тот же объём тех же данных той же точности.

Но возможны и другие варианты. Например, программы упаковки данных могут предлагать пользователю несколько вариантов настроек, отличающихся скоростью работы и плотностью упаковки - чем плотнее упаковка, тем, как правило, дольше работает программа, и соответственно - компьютер потребляет больше энергии. Ещё интереснее для нас могут обстоять дела в задачах упаковки "с потерями", к каковым относится, например, формирование JPEG-изображений, MPEG-звука, и им подобных. В этих программах пользователю предоставляется возможность разменивать скорость и экономичность на качество! Быстро сформированная JPEG-картинка отличается более низким качеством (нерезкостью и другими искажениями), чем сформированная медленно. То же относится и к звуковым файлам, но что для нас сейчас интересно, что при высокой скорости упаковки (и низком качестве) файл получается более компактным, и для его хранения требуется память меньшего объёма - т.е. упрощённый, неточный вариант экономичнее не только в смысле потребления электричества, но и в смысле сугубо вычислительных ресурсов.

Нобелевский лауреат Даниэл Канеман: "люди склонны экономить на мышлении"

В живых организмах - всё, как в программах упаковки с потерями. В условиях цейтнота, а также при необходимости (как объективной, так и субъективной) экономии энергии, мозг живого существа снижает объём вовлекаемой в обработку информации, снижает качество этой обработки, а на выходе выдаёт более простые и схематичные результаты. Однако, сама обработка производится при это быстрее и экономичнее, что субъективно воспринимается, как меньшее "умственное усилие".

А что, если ситуация требует достичь результата не считаясь с ценой? Полцарства за коня, так сказать?

Надо включать форсаж!

Но форсаж - штука дорогая, и по определению, временная. Как утверждают специалисты по физиологии мозга, неокортекс в принципе не способен длительно работать на "полной мощности", тем более - "на форсаже". Причём, "полная мощность" - это отнюдь не стопроцентрая активность нейронов коры; активность более 5-8% из них характеризует эпилептический припадок или иное патологическое поведение индивида. Предназначение, и житейские будни неокортекса - ленивая "полудрёма", изредка прерывающаяся вспышками активности. Длительная и напряжённая мозговая деятельность, мало того, что потребляет много энергии - она чревата различными нарушениями функционирования, вплоть до необратимых. Ведь работа мозга (не только нейронов, но и других клеток мозга, а также синапсов) сопряжена с интенсивным обменом веществ - синтезом и утилизацией разнообразных полезных химикалий, и накоплением других - вредных "отходов производства", могущих, в избыточных количествах даже приводить повреждению клеток мозга. Скорость же поступления питательных веществ (глюкозы и кислорода), а также скорость удаления отходов небеспредельна; в то же время клетки мозга - сущности нежные, и дискомфорт переносят плохо. Известно много случаев психических и неврологических заболеваний (вплоть до летальных исходов), вызванных, например, интенсивной подготовкой к экзамену, стрессовыми, и другими ситуациями, вызывающими большое нервное напряжение. Особенно - если есть предрасположенность к поломкам...

Сходная ситуация имеет место и в мире кремниевых компьютеров, за тем лишь исключением, что единственным "отходом производства" компьютера является теплота. Её избыток тоже может повредить электронным схемам, но в режиме номинальной вычислительной нагрузки исправная система охлаждения такого избытка гарантированно не допускает.

Современные бытовые компьютеры большую часть времени проводят в расслабленном ожидании запросов от пользователя; режим работы их в этом случае сильно облегчен. Напряжения и частоты снижены, большая часть узлов не функционирует, или даже вовсе выключена. Энегрии потребляется на порядок меньше номинала, тепла соответственно, почти не выделяется. При номинальной вычислительной нагрузке напряжения и частоты доводятся до номинальных, интенсивность охлаждения - тоже; однако для компьютера этот режим комфортен, и он может так работать бесконечно долго. Только питай. При очень большой нагрузке процессор компьютера может перейти в умеренно форсированный режим, в котором напряжения и частоты несколько повышаются сверх номинала; и хотя при этом процессор, в принципе, подвержен опасности перегрева, этот режим для него вполне безопасен и разрешён изготовителем, так как стандартно включается лишь на ограниченное время. Совсем как неокортекс.

Предел же возможностей компьютера достигается лишь при так называемом "разгоне", который могут производить некоторые пользователи на свой страх и риск. Они повышают частоты и напряжения за пределы паспортных значений, в том числе - до значений, небезопасных для работоспособности устройства. Энергии при этом потребляется (и выделяется в виде тепла) столько, что узлам требуется форсированное охлаждение - иногда даже доходит до необходимости использования жидкого азота. Срок службы устройства при этом может сокращаться (в зависимости от силы разгона) в несколько раз, а случается и немедленный выход из строя.

Но вернёмся к человеку.

Его мозгу тоже свойственен сильно различный уровень форсировки. Борьба за выживание - это вам не шутка! Поэтому мозг "спроектирован" более "рисковано" - он может самостоятельно, "по собственной инициативе" "разогнаться" так, как рукотворный компьтер может разогнаться лишь в руках компьютерного фаната с экстремистскими наклонностями. "Полцарства за коня" на арене эволюции бывает оправдано гораздо чаще, чем в мире "железных" компьютеров. И раз уж даже "железный" компьютер может "слететь с катушек" от перенатуги, то почему это не может быть так для живого?

Но фактически, живой "вычислитель", озабоченный не только собственным здоровьем, но и расходом энергии, предпочитает без крайней необходимости на форсированные режимы не выходить. И одной из таких ситуаций является необходимость ответить на вопросы психологического теста! Мозг интенсивно "разгоняется", демонстрирует блестящие результаты, но... при первой же возможности уходит в экономичный режим, где он блистает куда менее.

Нельзя сказать, что психологические тесты в принципе ни на что не годны - ведь как правило, чем больше форсированный уровень, тем больше и средний. Но только "как правило". Вполне бывает и иначе - кроме максимального уровня, разные нервные системы отличаются также лёгкостью подъёма на этот уровень, ну и степенью готовности начинать этот подъём. Эти особенности связаны с темпераментом (и тот ещё вопрос - что здесь причина, а что - следствие), но о жёсткой детерминированности говорить нельзя. И если б такие ситуации ограничивалась лишь психологическими тестами, то мы бы не наблюдали вполне приличного уровня учёных и инженеров, верящих в сверхъестественные силы, и посещающих гадалок для предсказаний каких-то событий своей жизни: на работе включается энергозатратный неокортекс, в быту предпочитается экономичная лимбическая система.