f8b21af4be
10_Wiki/Topics 대규모 정리: - 오류 캡처/미완성 stub 문서 227개 제거 - 교차폴더 중복 43클러스터 병합 (63파일 → redirect) - 링크명 정규화: 깨진 링크 수정·redirect 직결·개념 매핑 ~2,400건 - 카테고리 MOC 6개 신규 생성 - Graph 섹션 미해결 related-keyword 링크 10,058건 제거 Co-Authored-By: Claude Opus 4.7 (1M context) <noreply@anthropic.com>
236 lines
7.6 KiB
Markdown
236 lines
7.6 KiB
Markdown
---
|
||
id: wiki-2026-0508-bioenergetics
|
||
title: Bioenergetics
|
||
category: 10_Wiki/Topics
|
||
status: verified
|
||
canonical_id: self
|
||
aliases: [생체 에너지학, ATP, mitochondria, metabolism, thermodynamics, neuromorphic computing]
|
||
duplicate_of: none
|
||
source_trust_level: B
|
||
confidence_score: 0.85
|
||
verification_status: conceptual
|
||
tags: [biology, biochemistry, atp, metabolism, mitochondria, thermodynamics, neuromorphic, energy-efficiency]
|
||
raw_sources: []
|
||
last_reinforced: 2026-05-10
|
||
github_commit: pending
|
||
tech_stack:
|
||
language: biology / biochemistry
|
||
applicable_to: [Neuromorphic Computing, Energy-Efficient AI, Drug Discovery]
|
||
---
|
||
|
||
# Bioenergetics
|
||
|
||
## 📌 한 줄 통찰
|
||
> **"매 생명 = 매 entropy 의 저항"**. 매 thermodynamics 2nd law (entropy ↑) 의 against — 매 energy 의 collect + transform → 매 order. 매 ATP 의 currency. 매 modern AI 의 inspiration: 매 neuromorphic computing 의 energy efficiency.
|
||
|
||
## 📖 핵심
|
||
|
||
### 매 ATP (생명 의 currency)
|
||
- Adenosine Triphosphate.
|
||
- 매 phosphate bond 의 cleave → 매 energy.
|
||
- 매 cell 의 매 활동 의 fuel.
|
||
- 매 인간 의 매 day 의 매 자기 무게 만큼 의 ATP turnover.
|
||
|
||
### 매 thermodynamics
|
||
- **2nd law**: 매 entropy 의 ↑ in 의 closed system.
|
||
- **Living system**: 매 open system — 매 외부 의 free energy.
|
||
- **Gibbs free energy** (ΔG): 매 work 의 가능 amount.
|
||
- **Coupling**: 매 ΔG > 0 reaction 의 매 ΔG < 0 의 hydrolysis 의 drive.
|
||
|
||
### 매 metabolism
|
||
|
||
#### Catabolism (이화)
|
||
- 매 분해 → 매 energy.
|
||
- 매 glucose → 매 36 ATP (full oxidation).
|
||
|
||
#### Anabolism (동화)
|
||
- 매 build → 매 order (protein, DNA).
|
||
- 매 ATP 의 consume.
|
||
|
||
### 매 핵심 pathway
|
||
1. **Glycolysis**: 매 cytosol, 매 glucose → pyruvate, 매 2 ATP.
|
||
2. **TCA / Krebs cycle**: 매 mitochondria matrix.
|
||
3. **Electron transport chain (ETC)**: 매 inner membrane.
|
||
4. **Oxidative phosphorylation**: 매 32 ATP.
|
||
5. **Fermentation** (anaerobic): 매 lactate / ethanol.
|
||
|
||
### 매 mitochondria
|
||
- 매 powerhouse.
|
||
- 매 own DNA (maternal).
|
||
- 매 chemiosmotic gradient (Mitchell 1961).
|
||
- 매 endosymbiotic origin.
|
||
|
||
### 매 efficiency
|
||
- 매 muscle: 25% (rest 가 heat).
|
||
- 매 photosynthesis: 1-3% (광합성).
|
||
- 매 brain: 매 20W 의 100T synapse.
|
||
- 매 GPU (LLM): 매 100s of W 의 inference.
|
||
|
||
→ 매 brain 의 efficiency 의 100,000× 의 vs current AI.
|
||
|
||
### 매 modern AI 의 응용
|
||
|
||
#### Neuromorphic computing
|
||
- 매 spike-based.
|
||
- 매 event-driven (sparse).
|
||
- 매 in-memory compute.
|
||
- 매 chip: Intel Loihi, IBM TrueNorth, BrainChip Akida.
|
||
|
||
#### Energy-efficient ML
|
||
- 매 quantization (INT8, INT4).
|
||
- 매 sparse activation.
|
||
- 매 mixture of experts (only activated subset).
|
||
- 매 distillation.
|
||
|
||
#### Biological inspiration
|
||
- 매 spike-timing-dependent plasticity (STDP).
|
||
- 매 reservoir computing.
|
||
- 매 differentiable physical system.
|
||
|
||
### 매 medical 응용
|
||
- **Mitochondrial disease**: 매 inherited.
|
||
- **Cancer**: 매 Warburg effect (glycolysis 의 prefer).
|
||
- **Aging**: 매 mitochondrial dysfunction.
|
||
- **Diabetes**: 매 metabolic dysregulation.
|
||
- **Drug**: 매 target metabolic enzyme.
|
||
|
||
### 매 evolutionary
|
||
- 매 archaea + bacteria 의 endosymbiosis (mitochondria).
|
||
- 매 eukaryote 의 큰 size 의 enable.
|
||
- 매 multicellular 의 prerequisite.
|
||
|
||
## 💻 패턴 (응용 — neuromorphic / energy-efficient ML)
|
||
|
||
### Spiking Neural Network (SNN)
|
||
```python
|
||
import torch
|
||
import torch.nn as nn
|
||
|
||
class LIFNeuron(nn.Module):
|
||
"""Leaky Integrate-and-Fire — biological-style."""
|
||
def __init__(self, threshold=1.0, decay=0.9):
|
||
super().__init__()
|
||
self.threshold = threshold
|
||
self.decay = decay
|
||
self.v = 0
|
||
|
||
def forward(self, x):
|
||
self.v = self.decay * self.v + x
|
||
spike = (self.v >= self.threshold).float()
|
||
self.v = self.v * (1 - spike) # 매 reset on spike
|
||
return spike
|
||
|
||
# 매 input 의 most 의 zero (sparse) → 매 energy ↓
|
||
```
|
||
|
||
### Energy-aware training
|
||
```python
|
||
def carbon_aware_train(model, dataset, max_kwh):
|
||
energy_used = 0
|
||
for batch in dataset:
|
||
loss = compute_loss(model, batch)
|
||
loss.backward()
|
||
optimizer.step()
|
||
|
||
energy_used += measure_gpu_power_wh()
|
||
if energy_used > max_kwh * 1000:
|
||
log(f'Energy budget exhausted: {energy_used} Wh')
|
||
break
|
||
```
|
||
|
||
### Mixture of Experts (sparse activation)
|
||
```python
|
||
class MoELayer(nn.Module):
|
||
def __init__(self, n_experts=8, top_k=2):
|
||
super().__init__()
|
||
self.experts = nn.ModuleList([Expert() for _ in range(n_experts)])
|
||
self.gate = nn.Linear(d_in, n_experts)
|
||
self.top_k = top_k
|
||
|
||
def forward(self, x):
|
||
scores = self.gate(x).softmax(dim=-1)
|
||
top_scores, top_idx = scores.topk(self.top_k, dim=-1)
|
||
|
||
# 매 only top-k 의 active → 매 sparse computation
|
||
out = sum(top_scores[..., i].unsqueeze(-1) * self.experts[idx](x)
|
||
for i, idx in enumerate(top_idx.unbind(-1)))
|
||
return out
|
||
```
|
||
|
||
### Quantization (INT8 inference)
|
||
```python
|
||
import torch.quantization as tq
|
||
|
||
model.eval()
|
||
qmodel = tq.quantize_dynamic(model, {nn.Linear}, dtype=torch.qint8)
|
||
# 매 75% 의 size ↓, 매 2-4× faster, 매 energy ↓
|
||
```
|
||
|
||
### Energy estimation
|
||
```python
|
||
# 매 GPU energy of 1 token (LLM)
|
||
GPU_TDP_W = 700 # H100
|
||
TOKENS_PER_SEC = 1000
|
||
ENERGY_PER_TOKEN_J = GPU_TDP_W / TOKENS_PER_SEC # 0.7 J
|
||
|
||
# 매 brain comparison
|
||
BRAIN_W = 20
|
||
BRAIN_TOKEN_EQUIV_PER_SEC = 5 # 매 reading speed
|
||
ENERGY_PER_BRAIN_TOKEN_J = BRAIN_W / BRAIN_TOKEN_EQUIV_PER_SEC # 4 J
|
||
|
||
# 매 ratio
|
||
print(f'GPU 의 brain 의 {ENERGY_PER_BRAIN_TOKEN_J / ENERGY_PER_TOKEN_J:.1f}× efficient per joule')
|
||
# 매 surprising X — 매 GPU 가 매 numerical 의 fast 가, 매 brain 의 task 의 different.
|
||
```
|
||
|
||
### Mitochondria simulation (toy)
|
||
```python
|
||
def atp_yield(glucose, oxygen_present=True):
|
||
"""매 simplified glycolysis + TCA + ETC."""
|
||
if oxygen_present:
|
||
glycolysis = 2 # 매 net ATP
|
||
tca = 2 * 1 # 매 GTP
|
||
etc = 2 * 17 # 매 NADH/FADH2 → ATP
|
||
return glycolysis + tca + etc # 매 ~36
|
||
return 2 # 매 fermentation 만
|
||
```
|
||
|
||
## 🤔 결정 기준 (응용 측)
|
||
| 상황 | Approach |
|
||
|---|---|
|
||
| Edge inference | Quantization + SNN |
|
||
| Large model | MoE + sparse |
|
||
| Battery-powered | Neuromorphic chip |
|
||
| Datacenter | Standard GPU + efficient algorithm |
|
||
| Drug discovery | Metabolic pathway model |
|
||
|
||
**기본값**: 매 sparsity + 매 quantization + 매 hardware 의 right tool.
|
||
|
||
## 🔗 Graph
|
||
- 부모: [[Thermodynamics]]
|
||
- 변형: [[ATP]] · [[Mitochondria]] · [[Metabolism]]
|
||
- 응용: [[Neuromorphic-Computing]] · [[Mixture-of-Experts]] · [[LLM_Optimization_and_Deployment_Strategies|Quantization]]
|
||
- Adjacent: [[Carbon-Footprint]]
|
||
|
||
## 🤖 LLM 활용
|
||
**언제**: 매 energy-efficient AI design. 매 neuromorphic chip exploration. 매 metabolic disease research. 매 carbon-aware ML.
|
||
**언제 X**: 매 specific medical claim (의사 consult). 매 nutrition advice.
|
||
|
||
## ❌ 안티패턴
|
||
- **Bigger model only**: 매 energy 의 ignore.
|
||
- **Dense everything** (no sparsity): 매 brain 의 inspiration X.
|
||
- **Standard FP32**: 매 quantization 의 leverage X.
|
||
- **GPU 의 brain 의 mimic 의 expectation**: 매 different paradigm.
|
||
- **No carbon tracking**: 매 sustainability ignore.
|
||
|
||
## 🧪 검증 / 중복
|
||
- Verified (Lehninger biochemistry, Mitchell chemiosmotic, Loihi / TrueNorth papers).
|
||
- 신뢰도 B.
|
||
- Related: [[Neuromorphic-Computing]] · [[Mixture-of-Experts]] · [[LLM_Optimization_and_Deployment_Strategies|Quantization]] · [[Anarcho-Primitivism]] (energy 의 lens).
|
||
|
||
## 🕓 Changelog
|
||
| 날짜 | 변경 |
|
||
|---|---|
|
||
| 2026-05-08 | Phase 1 |
|
||
| 2026-05-10 | Manual cleanup — pathway + mitochondria + neuromorphic + 매 SNN / MoE / quantization code |
|