AGI НА КРЕМНИИ? ГДЕ ФИЗИКА И МАТЕМАТИКА УПИРАЮТСЯ В СТОИМОСТЬ?

Считаем. Все вместе!

Человеческий мозг выполняет весь спектр мультимодального интеллекта на 20 Ваттах. Это мощность лампочки в холодильнике.

Гоним в Гугл и смотрим какие проекты хотят релизнуть боги!

GPT-4 потребовал около 50-60 ГВт.ч электроэнергии на обучение. 
В сутки это примерно 0.40 ГВт·ч. 
xAI в Мемфисе строит Colossus 2 с планами на 1.5 ГВт к апрелю 2026 года. 
Это не энергопотребление города, это примерно один энергоблок АЭС.

OpenAI в рамках проекта Stargate планирует выйти на 10 гигаватт к 2029 году. 
Стоимость проекта 500 миллиардов долларов за четыре года. 
Это уже шесть-семь энергоблоков.

Но даже это не предел. 

Далее пройдемся по законам физики.Начнем с законов термодинамики. 

любое необратимое вычисление, например стирание бита, выделяет минимальное количество тепла

E_diss = k_B × T × ln2

Где k_B постоянная Больцмана (1.38 × 10⁻²³ Дж/К), T температура в Кельвинах.  При комнатной температуре (300 К) это примерно 2.87 × 10⁻²¹ Дж на бит.  Современная кремниевая электроника работает в сотни тысяч раз менее эффективно, чем этот предел.

Дистилляция модели уровня AGI потребует столько энергии, что планета превратится в кипящий кусок лавы задолго до окончания первой эпохи обучения))))

Закон Мура сдох. Транзисторы уменьшили до 5 нанометров. Дальше начинается квантовое туннелирование. Формулы бесплатные можете на Википедии подглядеть.

Формула коэффициента туннелирования через барьер (приближение ВКБ):

T ≈ exp(-2 × ∫ √(2m(V(x) - E)) / ħ dx)

Где m масса электрона, V(x) потенциальный барьер, E энергия электрона, 
ħ постоянная Планка. Когда толщина барьера (затвора) становится меньше 5 нм, экспонента перестаёт быть пренебрежимо малой. Электроны просто прошивают стенки процессора насквозь.

А как-же так??

Подпороговый размах (subthreshold swing) кремниевого транзистора имеет термодинамический предел.

SS = (kT/q) × ln(10) ≈ 60 мВ/декаду
(Это физика 9 класса)

При комнатной температуре. Это означает, что для изменения тока на порядок нужно минимум 60 мВ на затворе. Ниже этого только туннельные транзисторы (TFET), которые всё ещё в лабораториях.

Но есть и более фундаментальная проблема. Кремний имеет непрямую запрещённую зону шириной 1.12 эВ. Это означает, что минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны не совпадают по квазиимпульсу k. 

Электрон не может просто перейти из валентной зоны в зону проводимости, излучив фотон. Ему нужно ещё передать часть импульса кристаллической решётке, то есть поглотить или излучить фонон. Это процесс второго порядка. Вероятность его крайне низка. Именно поэтому кремний почти не излучает свет. Это не инженерное ограничение, которое можно обойти хорошим дизайном. Это фундаментальное свойство материала. 

нитрид кремния (SiN), 

арсенид галлия (GaAs), 

фосфид индия (InP). 

У них прямая запрещённая зона, и электроны могут переходить с излучением фотона напрямую. Это одна из причин, почему фотоника на кремнии сложна. Сам кремний не светится, и его нужно с чем-то гибридизировать.Вот в чем весь парадокс текнолоджиз.

Квантовые вычисления не панацея. Кубиты крайне чувствительны к окружающей среде.

Уравнение Линдблада описывает эволюцию матрицы плотности с учётом декогеренции.

dρ/dt = -i/ħ [H, ρ] + Σ_k (L_k ρ L_k† - ½ {L_k† L_k, ρ})

Второй член разрушает когерентность. Время когерентности T2 у современных сверхпроводящих кубитов порядка 100-200 микросекунд. Время одной двухкубитной операции около 100 наносекунд. Соотношение
T2 / T_gate ≈ 1000. Этого хватает на несколько сотен операций. 
Для практического квантового компьютера нужно 10⁶. Мы на три порядка ниже.

Программирование. У нас нет нормального языка для квантовых компьютеров. Qiskit, Cirq, Q#, PennyLane это Python-надстройки. Бит ведёт себя по другим законам. Нельзя просто посмотреть значение переменной, нужно измерять кубит, что разрушает состояние. Это принципиально другой подход к программированию.Коллапс волновой функции.

Коллапс волновой функции это постулат квантовой механики. 

Пока кубит не измерен, он находится в суперпозиции. 

Математически это записывается так.

|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩Где α и β комплексные амплитуды, а |α|² + |β|² = 1.

Пока ты не трогаешь кубит, он существует в обоих состояниях одновременно. 
Как только ты проводишь измерение, суперпозиция разрушается. 
Кубит мгновенно переходит в одно из собственных состояний оператора измерения. 

Либо |0⟩ с вероятностью |α|², 

либо |1⟩ с вероятностью |β|².

Это не инженерное ограничение. Это фундаментальное свойство природы. Формально оно описывается проекционным постулатом
фон Неймана. Дада того-самого , благодарю которому Вы смотрите,в свои мобильные телефоны и пользуетесь техникой.

После измерения матрица плотности ρ переходит в:

ρ' = P_m ρ P_m / Tr(P_m ρ)

Где P_m проектор на собственное подпространство, соответствующее
результату m. Именно поэтому в квантовом программировании нельзя просто посмотреть значение переменной. Ты не можешь подсмотреть за кубитом, 
не разрушив его состояние. Любое измерение это необратимая операция.

Отсюда и принципиально другой подход. В классическом программировании 
ты можешь проверить промежуточный результат, отладить, посмотреть.
В квантовом нет. Вы строите алгоритм так, чтобы ответ получался через интерференцию амплитуд. Полезная информация извлекается только в самом конце так называемая дистилляция, когда ты проводишь финальное измерение. Всё, что происходит в середине, должно быть организовано так, чтобы ненужные пути гасили друг друга, а нужный усиливался.

Она гласит: нельзя создать точную копию произвольного неизвестного квантового состояния.

Давайте разберемся что это означает.

Формально. Не существует унитарного оператора U, 
который для любого состояния |ψ⟩ и любого эталонного
состояния |e⟩ выполнял бы:

U(|ψ⟩ ⊗ |e⟩) = |ψ⟩ ⊗ |ψ⟩

Доказательство простое. Предположим, такой оператор существует. 

Тогда для двух состояний |ψ⟩ и |φ⟩

U(|ψ⟩ ⊗ |e⟩) = |ψ⟩ ⊗ |ψ⟩

U(|φ⟩ ⊗ |e⟩) = |φ⟩ ⊗ |φ⟩

Возьмём их скалярное произведение. 

Левая часть даёт ⟨ψ|φ⟩. 

Правая часть даёт ⟨ψ|φ⟩². 

Но унитарные операторы сохраняют скалярное произведение. 

Значит, ⟨ψ|φ⟩ = ⟨ψ|φ⟩². 

Это возможно только если ⟨ψ|φ⟩ равно 0 или 1. 

То есть состояния либо ортогональны, либо совпадают. Для произвольных состояний это неверно. Значит, такого оператора не существует. Как так ???
Что это означает на практике. Нельзя сделать резервную копию кубита перед измерением. Нельзя скопировать промежуточный результат, чтобы продолжить вычисление в двух ветвях. Нельзя отладить квантовый алгоритм, просто посмотрев, что там внутри))

В классическом программировании ты можешь сохранить переменную, распечатать её, сравнить с ожиданием. В квантовом нет. Любое измерение это конец. Всё, что происходит в середине, должно быть организовано так, чтобы ненужные пути гасили друг друга, а нужный усиливался.

Вот почему у нас до сих пор нет нормального языка программирования
для квантовых компьютеров. Мы пытаемся писать алгоритмы для системы, 
где нельзя посмотреть значение переменной, нельзя скопировать данные,
а любое измерение меняет состояние. Это не просто другой синтаксис. 
Это другая логика. Qiskit, Cirq, Q#, PennyLane это Python-надстройки. Они дают интерфейс, но не решают фундаментальную проблему. Ты не можешь написать квантовую программу так же, как классическую. Ты должен думать на языке амплитуд, интерференции и вероятностей. А этому нигде не учат.
Потому что учебников, которые объясняют это нормально, почти нет. Вот почему квантовые вычисления это не просто следующий шаг в железе. Это следующий шаг в самой парадигме программирования. И пока мы его не сделали, квантовые компьютеры останутся лабораторным инструментом, а не массовой технологией.

Для фотонных чипов, квантовых процессоров и всей новой архитектуры нужны редкоземельные элементы.

Эрбий (Er) нужен для оптических усилителей на 1550 нм. 

Тулий, гольмий для других длин волн. 

Ниобий, тантал для сверхпроводящих кубитов.

Китай ввёл экспортные ограничения на диспрозий, гадолиний, лютеций, самарий, европий, иттербий, скандий, иттрий, тербий. Это удар не только
по оборонке, но и по всей фотонной индустрии. Без этих материалов масштабирование новых архитектур невозможно физически.

Пока коммерческий сектор пилит бабки на кремнии, DARPA вливает сотни миллионов в фотонные вычисления.

Их цель VLPI (Very Large-scale Photonic Integration)
и программа PICASSO. 

Это попытка упаковать миллиарды оптических компонентов на один чип.

В чём суть?

Сегодня фотоника используется только как замена изолированных функций, например матричного умножения, внутри цифровых электронных архитектур. DARPA хочет выйти за пределы этого. Они хотят строить целые фотонные схемы, где вычисления происходят в оптическом домене, 
а не конвертируются постоянно обратно в электричество. Конвертация O-E-O добавляет миллисекунды задержки и убивает все преимущества фотоники.

Как это работает?? 

Вместо транзисторов используются интерферометры
Маха-Цендера (MZI). Какого блять Маха?

MZI состоит из двух волноводов, двух делителей пучка (beam splitters)
и фазовращателя на одном из плеч. Свет входит, делится на два плеча, на одном меняется фаза, потом плечи соединяются. В зависимости от разности фаз, 
на выходе получается либо конструктивная, либо деструктивная интерференция.

Математически MZI описывается матрицей передачи.  Для 50:50 делителя пучка.

M_BS = (1/√2) × [[1, 1], [1, -1]]

Фазовращатель в одном плече.

M_phase = [[e^{iφ}, 0], [0, 1]]

Полная матрица MZI это произведение.

M_MZI = M_BS × M_phase × M_BS

Если каскадировать N MZI, можно построить N×N унитарную матрицу. 
А через сингулярное разложение (SVD) реализовать любую матрицу.

M = U × Σ × V†

В кремниевых фотонных волноводах свет движется со скоростью примерно 0.4c. Энергопотребление может быть ниже 0.01 пДж/MAC при 50 Гбит/с.  Это на порядки эффективнее кремния.Но есть проблема. Потери в волноводах. В кремнии потери примерно 1 dB/cm. В нитриде кремния 0.39 dB/cm. В лучших образцах до 0.1 dB/cm. Это означает, что на каждый сантиметр пути теряется часть сигнала. Для больших матриц нужны либо усилители, либо очень короткие волноводы.

LUMOS (Lasers for Universal Microscale Optical Systems) это попытка принести высокопроизводительные лазеры и усилители на массовые фотонные платформы через гетерогенную интеграцию разных материалов. 
Программа нацелена на три вектора,масштабирование сложности, масштабирование мощности и масштабирование спектра.

По сложности LUMOS хочет интегрировать тысячи лазеров и усилителей 
с высокосложными фотонными интегральными схемами для таких приложений, как компактный оптический фазированный массив LiDAR 
и нейроморфные оптические вычисления.По мощности LUMOS нацелена
на разработку лазеров ваттного класса на малошумящей высокоскоростной фотонной платформе для радиочастотных и микроволновых приложений.
По спектру LUMOS нацелена на создание фотонных схем со встроенными лазерами, работающими по всему видимому диапазону, с методологией проектирования под заданную длину волны. Это нужно для атомных микросистем позиционирования, навигации и синхронизации времени, а также для компактных квантовых сенсоров и систем обработки информации.

Tower Semiconductor уже запустил первую в мире гетерогенную интеграцию квантовых точечных лазеров на своей кремниевой фотонной платформе PH18
в рамках LUMOS.

Пока это всё ещё лаборатории и пилотные линии. Не массовое производство. 
Но направление понятное,кремний сам по себе не решает задачу, и военные
это знают лучше всех.

Ну и зачем это все?

Кремний не даёт шансов для максимально разумной машины. Нужны принципиально новые подходы,фотоника, сверхпроводники, квантовые вычисления с суперпозицией.Но даже если технология будет создана, для её масштабирования нужны редкоземельные элементы, которых нет в свободном доступе. Нужны новые языки программирования, которых нет. Нужны новые архитектуры, которые пока только в статьях.Мы не утверждаем, что AGI невозможен. Мы утверждаем, что в современных реалиях, с дефицитом РЗМ, войнами и физическими пределами кремния, это нереально.Пока инвесторы верят в сказки про AGI на кремнии, военные в закрытых лабораториях строят совсем другое. И это другое не для нас.А очень жаль!!

А очень жаль. Потому что пока мы тут разбираем коллапс волновой функции
и запрет клонирования, средний пользователь деградирует быстрее,
чем развивается железо. Люди перестали читать бумажные книги.
Не потому что цифра удобнее, а потому что мозг разучился держать длинные мысли в голове .
Лента, скролл, короткий клип. Дофамин здесь и сейчас. Книга требует терпения,
а терпение это навык. Если его не тренировать, он исчезает. Общение с ИИ делает людей глупее. Парадокс, но это так. Когда ты знаешь, что нейросеть выдаст ответ за секунду, ты перестаёшь думать сам. Ты не формулируешь вопрос, не ищешь противоречия, не проверяешь логику. Ты просто ждёшь готовую таблетку. Это не использование инструмента. Это передача мышления внешнему агенту. И да, это работает. Но только если ты грамотный оператор. Если ты понимаешь, что ИИ это калькулятор, а не мозг. Что он не думает,
а предсказывает следующий токен. Что его ответ это вероятность, а не истина. Тогда ты используешь его как ускоритель, а не как костыль. Проблема в том,
что таких операторов мало. Большинство потребляет. И этот процесс отупения уже не остановить одной статьёй. Закон отупения нужно понижать. Не потому
что мы хотим всех научить, а потому что иначе мы просто не соберём команду, которая сможет решать задачи следующего уровня. Коллапс волновой функции, запрет клонирования, декогеренция, отсутствие языка для квантовых вычислений. Всё это требует людей, которые способны удерживать в голове сложную абстракцию. А таких людей становится меньше. Не потому что
они рождаются реже, а потому что среда не тренирует эту способность к рассуждению и обдумыванию бытия! Если это не изменить, мы будем решать проблему квантового коллапса ещё лет сто. Не потому что физика не пускает и не дает шансов, а потому что некому будет держать руку на пульсе.