Физики и химия Искусственного Интеллекта в сравнении с мозгом человека

Мозг человека с точки зрения физики и химии

Мозг человека — это система, которая держит сложный порядок внутри себя, пока сквозь неё непрерывно течёт энергия: она поступает с кровью, которая несёт кислород и питательные вещества, и уходит в окружающий мир теплом. Так же устроены пламя свечи и водоворот в реке: форма сохраняется, пока идёт поток, и пропадает, когда он прекращается. В физике такие системы называют неравновесными диссипативными. Мозг весит около 1,4 килограмма и состоит примерно из 10²⁶ атомов (единица с двадцатью шестью нулями).

1. Основа: длинные цепочки молекул на основе углерода (их называют полимерами), которые работают в водной среде.
2. Химия: около 97% массы приходится на четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот. Остальное — фосфор, натрий, калий, сера, хлор, кальций и крохотные количества других веществ, например железа (в составе гемоглобина оно переносит кислород по крови), цинка и меди.
3. Физика состояния: примерно на три четверти состоит из воды. В ней растворены вещества, и в ней идёт почти вся химия.
4. Двигатель и вычислитель: белки (они строят, перемещают и перерабатывают всё в клетке), жировые оболочки клеток (мембраны) и молекулы ДНК и РНК, которые хранят и передают инструкции.
5. Вычисления (интеллект): с точки зрения физики, это электрические и химические сигналы. Нервная клетка (нейрон) в покое заряжена: между её внутренностью и внешней средой держится разность электрических зарядов около 70 милливольт (это примерно в 20 раз меньше, чем в пальчиковой батарейке). Когда нейрон получает достаточный сигнал, по его длинному отростку (аксону) пробегает волна: на миг заряд меняется, потому что через оболочку клетки переходят заряженные частицы натрия и калия (их называют ионами). Такую волну называют потенциалом действия. Дойдя до места контакта с соседней клеткой (синапса), сигнал заставляет выбросить химические вещества-посредники (нейромедиаторы, например дофамин, серотонин и глутамат). Они пересекают крошечный зазор и действуют на следующую клетку.
6. Скорость сигнала: от 0,5 м/с (медленный шаг) до 120 м/с (около 430 км/ч, быстрее болида «Формулы-1»).
7. Энергия и порядок (термодинамика): мозг берёт энергию из крови (глюкоза и кислород, которые приходят из пищи и воздуха) и отдаёт её окружающему миру теплом. Порядок внутри него (физики называют его низкой энтропией) сохраняется за счёт того, что вокруг растёт беспорядок. Пример из клетки: она непрерывно тратит энергию, чтобы поддерживать разность зарядов между внутренностью и внешней средой, и на это уходит значительная доля энергии мозга. Живая клетка, пришедшая в равновесие со средой, мертва.
8. Происхождение: эволюция по Дарвину. В наследственном материале случайно возникают изменения (мутации), а естественный отбор оставляет тех, кто лучше приспособлен и даёт потомство. Процесс шёл около 4 миллиардов лет.
9. Обучение: меняются связи между нервными клетками: они укрепляются, появляются новые (у клеток растут новые отростки, дендриты).
10. Связь с миром: сам мозг ничего не воспринимает и не двигает: органы чувств и мышцы находятся вне него и подключены к нему нервами.
11. Условия существования: постоянный приток крови с кислородом и питательными веществами, температура около 37 °C.

Серверы, на которых работает ИИ, с точки зрения физики и химии

Серверы, на которых работает ИИ, — это устройства, которые тоже держат порядок за счёт потока энергии: электричество поступает в микросхемы, а уходит теплом. Этот порядок нужен для вычислений, то есть для перемножения огромных таблиц чисел (математики называют их многомерными тензорами). Один такой сервер весит порядка 100 килограммов и состоит примерно из 10²⁷ атомов, а крупный ИИ работает на нескольких серверах. Кремниевые кристаллы вычислительных ускорителей в одном сервере содержат лишь около 10²³ атомов, остальное — металл, пластик и система охлаждения.

1. Основа: кристаллический кремний (его получают из кварцевого песка, очищают до предельной чистоты и выращивают из него кристаллы) и металлические проводники внутри микросхем: твёрдых устройств без движущихся частей. Микросхемы размещены в металлическом корпусе с системой охлаждения.
2. Химия: корпус и охлаждение — в основном сталь, алюминий, медь и пластик. Сами микросхемы состоят в основном из кремния и кислорода (в виде диоксида кремния SiO₂, того же вещества, что кварц и стекло), а также из меди, алюминия и золота, тантала, вольфрама и других металлов, в том числе редкоземельных.
3. Физика состояния: работают твёрдые кристаллы внутри микросхем, которые защищает корпус из пластика (полимера) или керамики.
4. Вычисления (интеллект): с точки зрения физики, это движение электронов (мельчайших заряженных частиц) через миллиарды крошечных переключателей, транзисторов. Каждый транзистор пропускает или не пропускает ток, как выключатель. Из их сочетаний собираются простые логические действия («и», «или», «не»), а из них любые вычисления. Сигналы передаются электромагнитными волнами и импульсами света.
5. Скорость сигнала: от 150 000 до 270 000 километров в секунду (от половины до девяти десятых скорости света).
6. Энергия и порядок (термодинамика): электричество поступает в микросхемы, превращается в вычисления и почти целиком уходит теплом, поэтому серверы приходится охлаждать. Порядок вычислений держится за счёт того, что упорядоченная электрическая энергия превращается в хаотичное тепловое движение атомов кристалла. Практически вся потреблённая энергия в итоге становится теплом.
7. Происхождение: не возникли сами, а были спроектированы и созданы инженерами за около 70 лет.
8. Обучение: сами серверы не учатся: обучение проходит раньше, на отдельном оборудовании, а сюда устанавливают его результат.
9. Связь с миром: изначально нет; к серверам отдельно подключают камеры, микрофоны и динамики, а дальше и роботов, машины, заводы.
10. Условия существования: электричество, охлаждение, связь (каналы обмена данными), сухая чистая среда (влага и пыль вредят микросхемам).

Краткое сравнение: мозг и серверы в двух колонках

Таблица сделана в две колонки, чтобы её было удобно читать на смартфоне.

Мозг человека и серверы ИИ

Мозг человека	Серверы ИИ
Общий принцип: неравновесная диссипативная система: порядок сохраняется, пока идёт поток энергии.	Общий принцип: тоже диссипативная система: электричество входит, тепло уходит; порядок нужен для вычислений.
Масса и атомы: около 1,4 кг; примерно 1026 атомов.	Масса и атомы: около 100 кг на сервер; примерно 1027 атомов; в кремниевых ускорителях — около 1023 атомов.
Основа: углеродные полимеры в водной среде.	Основа: кристаллический кремний и металлические проводники; твёрдые микросхемы без движущихся частей.
Химия: примерно 97% — кислород, углерод, водород и азот; также фосфор, натрий, калий, сера, хлор, кальций; следы железа, цинка и меди.	Химия: корпус — сталь, алюминий, медь и пластик; микросхемы — кремний, кислород в виде SiO2, медь, алюминий, золото, тантал, вольфрам и редкоземельные элементы.
Состояние: примерно на три четверти состоит из воды; в ней идёт почти вся химия.	Состояние: твёрдые кристаллы внутри микросхем, защищённые пластиком или керамикой.
Внутренний механизм: белки, жировые мембраны клеток, ДНК и РНК.	Внутренний механизм: миллиарды транзисторов, из которых собираются логические действия «и», «или», «не».
Вычисления: электрические и химические сигналы; потенциал действия, ионы, нейромедиаторы.	Вычисления: движение электронов через транзисторы; сигналы передаются электромагнитными волнами и импульсами света.
Скорость сигнала: от 0,5 до 120 м/с (до примерно 430 км/ч).	Скорость сигнала: от 150 000 до 270 000 км/с (примерно 0,5–0,9 скорости света).
Энергия и порядок: глюкоза и кислород превращаются в тепло; порядок внутри поддерживается за счёт роста беспорядка снаружи.	Энергия и порядок: электричество превращается в вычисления и почти полностью уходит в тепло; серверы нужно охлаждать.
Происхождение: эволюция по Дарвину, около 4 миллиардов лет.	Происхождение: спроектированы и созданы инженерами примерно за 70 лет.
Обучение: меняются и укрепляются связи между нейронами; могут расти новые отростки.	Обучение: как правило, не учатся на месте: результат обучения заранее получают на другом оборудовании и устанавливают сюда.
Связь с миром: органы чувств и мышцы находятся вне мозга и подключены к нему нервами.	Связь с миром: изначально нет; отдельно подключают камеры, микрофоны, динамики, роботов, машины и заводы.
Условия существования: постоянный приток крови, кислород, питательные вещества, температура около 37 °C.	Условия существования: электричество, охлаждение, каналы обмена данными, сухая чистая среда.

Свои замечания пишите в комментариях — особенно интересно мнение биологов и инженеров.