玛莉亚什卡大脑

 内容

1.  玛莉亚什卡大脑
2.  概述
3.  背景
4. 
   计算机趋势与特点
5. 
   计算机与人类操作等价
6.  太阳能
7. 
   卡尔达舍夫文明等级
8.  发展趋势
9.  需求
10.  架构
11. 
    建筑方法和时间尺度
12.  限制
13.  功率限制
14.  尺寸限制
15.  材料限制
16.  长寿限制
17.  思维限制
18.  位置
19. 
    证据表明 MBs 的存在
20.  进化
21. 
    交互与 Matrioshka Brains 之间
22.  结论
23.  参考文献

 概述

 背景

计算机趋势与特点

计算机与人类操作等价。

• 
  FLOPS = 每秒浮点（算术）操作（加法或乘法）次数

• 
  英特尔泰克计算机：1.8 万亿次浮点运算（ $1.8\times {10}^{12}$$1.8\times {10}^{12}$1.8 xx10^(12)1.8 \times 10^{12} FLOPS）
• 
  IBM Teracomputer：3 万亿次浮点运算（ $3\times {10}^{12}$$3\times {10}^{12}$3xx10^(12)3 \times 10^{12} FLOPS）
• 
  IBM ASCIWhite：12.3 万亿次浮点运算（ $1.23\times {10}^{13}$$1.23\times {10}^{13}$1.23 xx10^(13)1.23 \times 10^{13} FLOPS）
• 
  IBM 深蓝（国际象棋计算机）：
• 
  2 亿 $(2\times {10}^8)$$\left(2\times {10}^8\right)$(2xx10^(8))\left(2 \times 10^{8}\right) 每秒 $=\sim 3$$=\sim 3$=∼3=\sim 3 百万 MIPS $(3\times {10}^{12}\mathrm{IPS})$$\left(3\times {10}^{12}\mathrm{IPS}\right)$(3xx10^(12)IPS)\left(3 \times 10^{12} \mathrm{IPS}\right)
• 
  葡萄（GRAvity PipE）计算机用于恒星轨道计算（塔布斯，1997）
• 
  葡萄-3（1991 年）：600 MFLOPS（ $6\times {10}^8$$6\times {10}^8$6xx10^(8)6 \times 10^{8} FLOPS）
• 
  葡萄-4（1995 年）：1.08 万亿次浮点运算（ $1.1\times {10}^{12}$$1.1\times {10}^{12}$1.1 xx10^(12)1.1 \times 10^{12} FLOPS）
• 
  葡萄-5（1998）：21.6 吉浮点运算（ $2.16\times {10}^{10}$$2.16\times {10}^{10}$2.16 xx10^(10)2.16 \times 10^{10} FLOPS）
• 
  葡萄-6（2000/1）：100 万亿次浮点运算（ $1\times {10}^{14}$$1\times {10}^{14}$1xx10^(14)1 \times 10^{14} FLOPS）
•  在绘图板上：
• 
  IBM Blue Gene（2003 年）：1 petaflop（ ${10}^{15}$${10}^{15}$10^(15)10^{15} FLOPS）

• 
  在诸如二十一点（带有随机因素）和国际象棋与围棋（带有非随机原则）等游戏中击败人类。目前人类唯一能与计算机竞争的游戏是围棋。
• 
  证明人类以前未曾证明的定理。
• 
  阅读文档（OCR）和“理解”人类语音。
•  驾驶汽车。

 太阳能

卡尔达舍夫文明等级

 发展趋势

 需求

1. 
   设计用于实际建造 MB 所需的电力收集器、计算机、通信设备和散热器。
2. 
   一种用于构建 MB 组件的自复制工厂的设计。这些工厂不必使用纳米技术来建造。它们可以使用基于现有制造方法并利用冯·诺伊曼（1966 年）提出的想法的自动机来建造。1982 年，由 NASA 组织的一组物理学家和工程师对如何在空间制造中构建自动化工厂进行了广泛的研究[弗雷塔斯，1982]。这些工厂必须能够复制自己以覆盖行星表面，并能够构建将它们的产出运输到适当恒星轨道的装置，或者它们必须在太空环境中自我复制。这种自我复制工厂对于 MB 的生产并非绝对必要。然而，它们确实有助于将 MB 的建造时间缩短许多数量级。

 架构

 动力收集器

• 
  绝对功率采集效率
• 
  质量或元素需求以实现特定的收获效率
• 
  最短时间构建一个相对高效的收集器
• 
  收藏家，寿命最长，维护要求最低

 计算机组件

 存储组件

1. 
   原子聚集体和磁或光传感（例如，当前高密度磁盘驱动器）。
2. 
   元素在特定的原子配置中（例如 DNA）。
3. 
   电子电荷（单电子 DRAM）或特定自旋状态的电子（原子核磁共振）。
4. 
   光子循环包。

 热处理组件

辐射防护组件

 通用架构

 电源

建筑方法和时间尺度

1. 
   将一颗或多颗小行星转化为太阳能收集器。接收 ${10}^{10}$${10}^{10}$10^(10)10^{10} 瓦特太阳能的 3 英里小行星可以转化为太阳能收集器，可以收集 ${10}^{22}\mathrm{W}$${10}^{22}\mathrm{W}$10^(22)W10^{22} \mathrm{~W} 瓦特的太阳能。所需时间： $\sim$$\sim$∼\sim 数年。
2. 
   将小行星衍生的收集器能量传输到水星，在那里使用，并将大部分行星转化为额外的收集器，以收集整个太阳的太阳能。所需时间：< 1 个月。
3. 
   利用太阳的全部输出，拆解剩余的小行星、彗星、卫星和矮行星，以构建 MB 的主要部分。所需时间： $\sim 20$$\sim 20$∼20\sim 20 年。 ${}^3$${}^3$^(3){ }^{3}
4. 
   使用月球和小行星的一部分材料来构建提供分解气态巨行星（天王星、海王星、土星和木星）所需能量的热核反应堆。所需时间：10-1000 年。

 限制

 功率限制

• 
  大量低亮度红星，暗示着古老的小质量恒星。
• 
  银河系中心恒星光谱中金属丰度低，意味着在大量超新星将金属播撒到星际尘埃之前，老恒星就已经形成。

 尺寸限制

马丽亚什卡大脑散热器和行星轨道及相对大小

 材料限制

• 
  钛、铝或碳不足，无法构建最大数量的纳米级组件，尤其是高压循环系统和纳米计算机。
• 
  铝或镁不足，无法构建能够收集和重新分配最大可用太阳能的太阳能收集装置。
• 
  铜、镍或铁不足，无法构建高效金属氧化物辐射表面（尽管非晶碳，例如炭黑，可能是一种替代品）。
• 
  循环流体不足 $(\mathrm{Na},{\mathrm{NH}}_3,{\mathrm{CH}}_4,{\mathrm{O}}_2,{\mathrm{N}}_2,\mathrm{Ne},\mathrm{He})$$\left(\mathrm{Na},{\mathrm{NH}}_3,{\mathrm{CH}}_4,{\mathrm{O}}_2,{\mathrm{N}}_2,\mathrm{Ne},\mathrm{He}\right)$(Na,NH_(3),CH_(4),O_(2),N_(2),Ne,He)\left(\mathrm{Na}, \mathrm{NH}_{3}, \mathrm{CH}_{4}, \mathrm{O}_{2}, \mathrm{~N}_{2}, \mathrm{Ne}, \mathrm{He}\right) ，无法在指定工作温度下有效冷却计算机（杆逻辑、半导体、螺旋逻辑、超导体）。
• 
  稀有元素（Sb、In、Cd、Te、Hg、As、B 等）作为半导体掺杂剂或作为太阳能电池或半导体激光器的层使用不足。
• 
  银或金不足，无法建造用于观察或与外星文明通信的高效望远镜。

 长寿限制

 思维限制

• 
  快速原型设计用于构建新型思维机器
• 
  监控星系中所有行星上生命发展的架构
• 
  大规模通信架构以解析来自邻近星系的 MB 信号
• 
  辐射加固的 MBs，用于在高速能通量环境中的快速思维，如靠近
  
  黑洞的吸积盘。
  
  如果 MB 是 KT-III 文明的组成部分，那么很可能会发生某些活动和架构的划分，以便个体 MB 根据当地物质资源、能源可用性、辐射环境和邻近星系的距离来优化其活动。

 位置

• 
  大量重要物质用于屏蔽 MB 免受辐射；或
• 
  相当一部分指令容量用于冗余硬件以及诊断程序的执行，能源资源则用于损坏组件的回收。

1.  低辐射通量
2. 
   大量易于采集的本地能源
3. 
   一个易于利用的大量相对丰富
4. 
   最小潜在的引力或恒星事件（例如超新星）造成的破坏

证据表明 MBs 的存在

1. 
   《缺失质量》。 $\sim 80-90\mathrm{\%}$$\sim 80-90\mathrm{\%}$∼80-90%\sim 80-90 \% 近邻星系的质量中有一部分被认为是“缺失的”，因为可观测恒星的数量与星系的旋转曲线不符。[参见乔·西尔克撰写的暗物质论文]
2. 
   引力微透镜观测。估计大约有 0.3-0.5 ${\mathrm{M}}_{\text{sun}}$${\mathrm{M}}_{\text{sun }}$M_("sun ")\mathrm{M}_{\text {sun }} 质量的物体绕着我们银河系运行。 [Alcock 等人；Macho 项目；ABC 新闻 970817]
3. 
   银河晕中缺失的恒星。
4. 
   NGC 5907 暗物质晕的恒星成分，刘米哈伊尔，弗朗辛·马鲁，詹姆斯·格雷厄姆，斯蒂芬·夏洛特，彭妮·萨ケット，史蒂夫·泽普夫

文明进化

交互与 Matrioshka Brains 之间

 结论

 开放性问题

1. 
   关于将水星转变为太阳能阵列的切实可行的时间估计是多少？
2. 
   金星大气中的所有碳如何快速收集？
3. 
   需要多长时间，一个合理的太阳输出分数（RFSO）才能打破太阳系中所有的化学键？
4. 
   需要多长时间才能将太阳系中所有非太阳物质从各个行星引力井中运出？
5. 
   什么是将太阳系中大量质量重新定位到内太阳系使用 RFSO 的能量/质量/时间权衡？
6. 
   Matrioshka Brains“思考”什么？
7. 
   如果 MB 不存在，那么人们将面临一个严重的问题：是什么使得智能生命进化并达到 MB 水平如此困难？
8. 
   即使 MB 不存在，这是人类应该遵循的合理道路吗？
9. 
   哪些架构真正更好 - IPMB 还是 EPMB？
10. 
    纳米计算机的辐射损伤问题能否通过电磁屏蔽解决，或者必须通过质量屏蔽或迁移到远离辐射源的地区来解决？
11. 
    真实架构能接近计算能力理论极限有多近？
12. 
    是否存在需要如此多的计算机处理能力的问题，以至于只能通过自杀 MBs（如那些会收集超新星或黑洞能量输出的人）来回答？
13. 
    是否存在一种方法，使 MB 能够承受从落入黑洞的物质中提取能量时产生的辐射通量？这将是物质（为了能源生产而追求其毁灭）的最佳用途吗？
14. 
    星际旅行（MB 航行或 MB 探测研究探险）还有什么意义，如果你可以用大量望远镜观察所有银河活动，拥有与其他 MB 的高带宽通信渠道，并且可以预先计算观察到的开发路径的可能终点？
15. 
    如果暗物质不是 MB，那它是什么？

附录 B：元素丰度和用途

 脚注

1. 
   玛特罗什卡大脑是作者发明的一个术语，用于更准确地描述一种适用于使用恒星作为能源的巨型结构的最佳计算架构。早期的论文和讨论将巨型思维机器称为“超级智能”或“木星大脑”。术语“木星大脑”给人一种半固态大脑大小的印象，就像木星一样。这个形象存在一些问题。首先，这样的结构无法在不熔化的情况下消耗恒星功率输出。其次，具有这种架构的计算机将消耗其能源预算中相当大的一部分来循环冷却液体。最后，如果将这样的结构阵列围绕恒星排列，它们必须解决不向彼此辐射热量的问题（加剧了保持冷却的已经困难的问题）。术语“玛特罗什卡”源自俄罗斯发现的嵌套木偶（玛特罗什卡），旨在让人联想到由玛特罗什卡大脑构成的“计算晶体”的嵌套壳层。
2. 
   关于整个恒星功率输出的采集的扩展讨论可以在“行星解体”讨论中找到。
3. 
   尽管这里没有讨论，但似乎存在一些 MB 设计，可以让阳光继续照射到地球上。最明显的方法是将所有建筑放置在地球轨道之外。其他设计可能包含与地球轨道同步的轨道“空洞”或重新定位以最小化太阳与地球之间光线拦截的收集器。
4. 
   大多数人难以相信自我复制、自我组装机器允许的增长率。细菌的最佳复制时间为 20 分钟，在提供足够的能量和营养的情况下，单个细菌可以在不到 2 天内增长到地球等质量的体积。德雷克斯勒[《纳米系统》，1992 年]估计通用组装机的翻倍时间为 1-3 小时。霍尔[1999 年]和弗雷塔斯[1999 年]提出，特殊用途的装配线安排将具有更快的生产时间。

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