Анатолий Протопопов - Мозг экономичный

С нервными клетками энергетическая ситуация даже хуже. Если домашний компьютер, по сравнению с другими бытовыми электропотребителями выглядит довольно скромно (как одна-две лампочки средней мощности), то аппетит нервных клеток находится в числе лидеров клеток организма. И по кислороду, и по глюкозе, и в смысле эффективности удаления отходов нервные клетки очень привередливы. Поэтому у мозговитых существ расходы на питание и обслуживание нервной системы могут составлять немалую долю их общих энергозатрат. У одного из самых мозговитых существ - человека, при работе на "полную вычислительную мощность" нервная система может потреблять до четверти всей потребляемой им энергии, что по абсолютной величине может быть уже сопоставимо с затратами на двигательную активность. Поскольку вопросы экономии всегда были чрезвычайно животрепещущи для живых организмов, то стремление оных к сокращению издержек не удивительно.

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.