科学探索|奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式( 三 ) 奇特“新脑”：意识从物质中

文章图片

逻辑门
香农的博士论文就是基于能够实际制作出执行这些操作的电路设计。看这个例子，这是一个表示“否”的逻辑电路。如果你在左面的输入端输入一个高电压，那么低电压从右边的输出端输出，而如果你在输入端输入一个低电压，那么高电压则会从输出端输出。

文章图片

电子逻辑门“否”
在早期，我指的是20世纪40年代开始的时期，实际上，这些想法是出于战争的需求而第一次被整合实现。在晶体管带来变革之前，计算机基于真空电子管。在我小时候，我父亲是一名电子技师，处理早期的收音机和电视，家里到处是这种真空管，就这样我慢慢开始了解和喜欢上它们。

文章图片

真空管
但是，正如你所看到的，按照现代标准，真空管的体积太大了。与现代计算机芯片相比，真空管要大得多，而且这只代表一个逻辑门的一个元件。同样，它们并不稳定，发热现象很严重。但第一台电子计算机就是基于真空管发明的。
现代计算机时代真正开始于晶体管和集成电路的发现，利用它们你可以在一个小地方放置很多很多逻辑门。到了20世纪70年代，IBM生产出著名的360系统，虽然体积仍然很大，但却是基于晶体管、更复杂的电子学，磁带用作存储器。稍后，我会更详细些说明。多年来，这是一项占主导地位且非常实用的技术。

文章图片

早期的集成电路和存储器
如今，曾经一房间仪器才可以实现的功能可以在一个芯片上实现。这个芯片可能只有拇指这么大。英特尔处理器就这么一点点。可以看到，由于物理学和工程学的进步，现在可以在一个很小的物体里实现很多很多的逻辑门，就是它们为你的苹果手机、笔记本电脑提供动力，从而让这些现代计算设备和许多工业应用在日常生活中变得如此简单。

文章图片

现代处理器
这么了不起的装置，值得我们进一步去了解一下它。这里提供几个数据，这些是芯片的规格。首先是时钟频率。要进行逻辑运算，你必须完成一步，再做下一步，然后再做下一步。这是时间的函数，计算会随时间向前推进。时钟频率是每秒30亿次运算，记作3 GHz 。信息移动的速度类似于每秒十亿次信息从一个地方传输到另一个地方。我可能没法向大家精确地说明这一定义，需要知道的是，这些思维机器非常敏捷。人脑的时钟频率大约是每秒1000次，要慢100万倍。而一台电脑的价格只有999美元，比雇一个学生或助手来做计算，成本要低得多。

文章图片

芯片的规格
但是有两件事限制了这项技术继续发展。一是它产生大量热量。一个小小的芯片能产生高达130瓦的功率，这取决于你使用它的程度。而人脑可产生大约30瓦的功率，尽管它比人脑小得多，但它产生的能量和热量却比人脑多。计算机技术前沿的一个巨大挑战是散热。
芯片单元也变得越来越小。45纳米这一规格，可能对你来说太抽象了，它只有原子大小的几倍——大约是单个原子的十倍。所以，芯片运作背后的这些小逻辑门并不比单个原子大多少。芯片惊人的能力依赖于这些奇特的新“脑”，依赖于对物质如何工作的强大理解。所以说，物理很伟大。