主题：【原创】教育探索（五）—从电脑认识大脑（1） -- 夕曦

第一台电子计算机是John Atanasoff和学生Clifford Berry从1937开始制造，1942测试成功的，但这台计算机不能改变程序。

世界上第一台可编程的电子计算机（ENIAC）出现于稍后的二次世界大战期间，主要用于军事用途。那时的计算机是使用模拟信号的电子计算机，体积巨大，耗能也巨大，达174千瓦，相当于近六千台现代的笔记本电脑（30瓦左右）。

（第一台可编程的计算机ENIAC，图片来源：外链出处）

不论是中文还是英文，顾名思义，计算机是执行计算任务的机器，可以按照编制好的程序自动进行数学和逻辑运算。几乎在出现的同时，人们还用另一个名字称呼计算机：electronic brain，就是我们今天经常叫的另一个名字：“电脑”。这很容易理解，人脑和电脑最相似的地方在于信息处理。计算机可以做一些人脑做的任务，对大量重复的任务计算机甚至做得更好、更精确。

计算机的信息处理离不开三大核心功能：信息存储（数据库）、运算（运行程序）、反馈（存储信息经运算后产生新的信息保存或更新存储的信息）。在人脑中可以很容易地看到对应的信息处理功能。如人的信念、记忆等对应电脑的信息存储功能；思考、计划类似电脑的程序运行过程；学习、训练、尝试等对应于电脑的反馈功能。

我们在学校中被反复灌输的一个概念是：“结构决定功能”。就是说具体的功能总是由相应的特殊结构决定的。决定信息处理功能的基本结构必定包括数据存储结构，进行计算的结构，与外界联系的输入/输出结构，和保证这些结构正常运行的协调、控制结构（执行控制）。对电脑来说，这些结构统称为CPU，即中央处理器。挑选电脑时，比较CPU的技术指标是判断电脑信息处理功能强弱最重要的指标。

在传统的计算机中，CPU的各组成部分有大致相同电子结构，就是由大量的小电路组合成的网络系统，在这个网络中小电路由电子开关控制开通或关闭。所有的信息存储和运算都是在这个电子网络中实现的。

（集成电路内部电路图，图中“-|<”或“>|-”机构代表了电子开关。图片来源：外链出处）

这些小电路代表了最基本的数字信息，开通时为“1”，关闭是为“0”（即二进制系统）。一个小电路就是一个基本的字节，信息存储可通过复制这些最基本小电路（字节）实现的，即不同字节上的不同开/关组合可代表了不同的信息。另外，以小电路为基本单位，还可以设计构建逻辑电路，用来控制其它小电路的状态，最终可以实现数学计算和逻辑运算。在有限的结构内，以电子开关为核心的小电路的数目越多，数据存储和运算能力就越大，信息处理的功能就越强大。

（具有四个与非门逻辑电路的7400集成电路芯片。图片来源：外链出处）

现代计算机技术几乎全部使用以电子开关为基础的二进制系统。这种“逢二进一”数制系统使电子开关的制造更简单可靠、更准确，能够在有限空间内容纳更多的小电路形成更强大的CPU。同时允许使用其它具有二元特性的材料制造专用的存储设备。与十进制的加减乘除等运算相比，二进制数据计算法则更简单，最常用的是加法运算和乘法运算，大大简化了信息处理过程。还有一个特点，二进制可以用同一套数据格式和算法实现数学计算和逻辑运算。

现在，你可以发挥一点儿想象力，将电脑抽象为一个由线与点连接形成的空间网络结构，如下图所示。

在这个网络中，线代表与电路相关的各种元器件（如电阻、电容、电感、二极管、三极管等），点代表关键的电子开关。网络不同区域的亚结构有所不同（由设计决定），适用于不同的功能。所有的信息处理功能，包括数据存储、运算、输入/输出、执行控制，都可以在网络中完成。

更有意思的是，再多想象一些，将上图的点用计算机替换，将线用连接计算机的IP地址的连线代替，就变成了互联网。在互联网中的信息处理，就是很时髦的“云计算”。实际上，上图就是2005年1月15日运行的部分互联网实图（来源：外链出处）。

所以，信息处理功能是通过有开关的网络结构来实现的。

大脑是人体内的信息处理器官，那它有没有个带开关的网络结构？

当然有了，就是神经网络。

上图是构成小鼠大脑的14个基本单元的网络连接（Nature 2011 471,177–182 外链出处，3D视频：外链出处）。而人脑中有10的11次方个这样的基本单元，远远比电脑的电子网络复杂。