4.0 元件，同步，神经元类比 #

4.1 #

我们从一些一般性的话题开始探讨：

每个数字计算设备都包含某些轮换现象，例如 元件，具有离散的平衡态。 这样的元件有两种或更多不同的状态，在这些状态中它可以无限期地存在。 这些平衡态需要是稳定的，在每个平衡态中，元件可以在没有任何外部支持的情况下保持状态，而适当的外部刺激将使其从一种平衡转移到另一种平衡。 或者，可能存在两种状态，其中一种状态是在没有外部支持时存在的平衡态，而另一种状态依赖于外部刺激的存在。 轮换动作还表现为，如果元件本身再收到同上类型的刺激，就会忽略刺激。 发出的刺激必须与接收到的刺激类型相同，即必须能够刺激其他元件。 但是，接收到的刺激和发出的刺激之间必须没有能量关系，也就是说，已经接收到一个刺激的元件必须能够发出几个相同强度的刺激。 换句话说：作为一个继电器（译注：就是前面的轮换，relay），元件必须有另一个来源获得能量供应，而不是仅来自即将到来的刺激。

在现有的数字计算设备中，已有各种机械或电气设备被用作元件: 轮盘，可以锁定在十个 (或更多) 中任何一个重要位置上，并且在从一个位置移动到另一个位置时会传输电脉冲，该电脉冲可能导致其他类似的轮盘移动； 单个或组合的电报继电器，由电磁铁驱动，可以断开或闭合电路； 还可以将这两个元件进行组合； — 最后，使用真空管的似乎有着诱人的可能性，栅格充当阴极板电路的阀门。 在最后提到的情况下，栅格也可以用偏转机构代替，即用阴极射线管代替真空管— 但很可能在未来一段时间内，目前真空管本身的更大可用性和各种电气优势将使这种替换还不会发生。

任何这样的设备都可以通过其元件的连续反应时间自主地进行计时。 在这种情况下，所有的刺激最终都必须源自输入。 或者，它们的定时可能被固定的时钟所触发，该时钟提供了某些刺激，这些刺激对于其定周期性循环功能是必需的。 这个时钟可以是机械或机电混合装置中的旋转轴，也可以是电子振荡器 (可能是晶体控制) ，通过一个纯粹的电子设备实现。 如果要依赖于设备同时执行的几个不同操作序列的同步，则由时钟施加定时显然是优选的。 如上所述，我们在前面定义的技术意义中使用术语元件，后面根据其计时是由时钟影响还是自主，将设备称为同步或异步。

4.2 #

值得一提的是，高等动物的神经元绝对是上述意义上的元件。 他们具有“有或无”的特征，即两种状态: 平静和兴奋。 它们满足了4.1的要求，但有一个有趣的变体：兴奋的神经元沿着许多线(轴突)发出标准刺激。 然而，这样的线可以通过两种不同的方式连接到下一个神经元: 其一：在兴奋性突触中，因此刺激引起神经元的兴奋。 其二: 在抑制性突触中，使刺激绝对阻止任何其他 (兴奋性) 突触上的任何刺激激发神经元。 神经元也有一个确定的反应时间，从接收刺激到由它引起的刺激的发射，即突触延迟。

在W.S. MacCulloch和W. Pitts 的(《神经活动中内在观念的逻辑演算 A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity》，Bull. Math.Biophysics，第5卷(1943)，第115-133页) 书中 我们忽略了神经元功能更复杂的方面: 阈值，时间总和，相对抑制，超过突触延迟的刺激后效应引起的阈值变化等。 然而，偶尔只考虑具有固定2和3个阈值的神经元比较方便，也就是说，只有在2到3个兴奋性突触上(同时)刺激才能兴奋的神经元(而在抑制性突触上不会发生)。(比照{6.4})

很容易看出，这些简化的神经元功能可以通过电报继电器或真空管来模仿。 虽然神经系统可能是异步的(对于突触延迟)，但通过使用同步设置可以获得精确的突触延迟。(比照{6.3})

4.3 #

很明显，非常高速的计算设备理想上应该选用真空管元件实现。 可以发现已经使用了真空管聚集体和类似计数器和放大器的系统，在短至微秒的反应时间(突触延迟)下还是可靠的 ( \( = 10^{-6}\) 秒), 这是其他设备无法近似的性能。 确实: 纯机械设备完全没有可比性，实用的电报中继反应时间约为10毫秒 (= \(10^{-2}\) seconds) 或者更多。 有趣的是，人类神经元的突触时间大约是一毫秒 ( \(= 10^{-3}\) seconds).

在接下来的考虑中，我们将相应地假设该装置具有真空管作为元件。 我们亦会尝试就所涉及的真空管数目、时间等作出所有估计，所用的真空管是市面上可以买到的传统元件。 也就是说，不使用异常复杂或具有新功能的真空管。 而且在与传统类型(或某些等效元件，参加{})进行彻底分析后，使用新型真空管的可能性实际上将变得更加清晰和明确。

最后，目前看来如果实现同步装置具有相当大的优点 (参见 {6.3})。