Аннотация:
Исследователи из Университета Мейнут в Ирландии разработали новый тип ДНК-компьютера, который может использовать естественные химические реакции молекул ДНК в солевых растворах для выполнения вычислений без постоянного потребления электроэнергии, как традиционные электронные компьютеры. Исследовательская группа заявила, что этот метод впервые позволяет выполнять вычисления ДНК без постоянного внешнего источника питания и обеспечивает самую высокую скорость вычислений среди существующих вычислительных систем ДНК.
С быстрым распространением искусственного интеллекта и центров обработки данных энергопотребление компьютерного оборудования становится все более актуальной проблемой. Исследователи прогнозируют, что к 2050 году до 20% электроэнергии, потребляемой коммерческим сектором США, может использоваться для вычислений, а потребность в электроэнергии для центров обработки данных может удвоиться в ближайшие несколько лет. В этом контексте вопрос о том, как снизить энергопотребление самого вычислительного процесса, стал важным направлением для исследователей в поиске новых вычислительных архитектур.
Дэмиен Вудс, ученый-компьютерщик из Университета Мейнут и старший автор статьи, сказал, что в настоящее время люди привыкли понимать компьютеры как устройства, состоящие из кремниевых чипов и транзисторов, но на самом деле природа создала множество вычислительных механизмов, которые могут выполнять сложные задачи с чрезвычайно низким энергопотреблением, и человеческий мозг является одним из примеров. Поэтому исследователи надеются найти методы расчета химии жизни, которые будут отличаться от традиционных электронных расчетов.
Почти все современные электронные компьютеры используют транзисторы в качестве основных переключателей, представляющих данные в двух состояниях: «включено» и «выключено». Каждый раз, когда транзистор меняет состояние, он потребляет небольшое количество энергии, а когда миллиарды или даже триллионы транзисторов постоянно переключаются на чрезвычайно высоких частотах, это небольшое энергопотребление в конечном итоге приводит к огромным потребностям в энергии.
ДНК хранит и обрабатывает информацию совершенно по-другому. Четыре химических основания, составляющие цепочку ДНК, могут кодировать информацию по-разному, поэтому сама молекула ДНК теоретически может использоваться в качестве вычислительной среды. В отличие от электронных компьютеров, которые переключают состояния через транзисторы, вычисления на ДНК могут использовать химические взаимодействия между различными последовательностями ДНК для выполнения алгоритмов.
ДНК-вычисления — не новая концепция. Еще в 1990-х годах Леонард Адлеман, ученый-компьютерщик из Университета Южной Калифорнии, использовал молекулы ДНК и биохимические реакции для решения знаменитой «проблемы коммивояжера», доказав, что ДНК можно использовать для выполнения вычислений. С тех пор исследователи продолжили разработку новых молекулярных алгоритмов, надеясь позволить ДНК взять на себя больше функций традиционных компьютеров.
Однако в ДНК-вычислениях всегда существовала ключевая проблема: как сделать так, чтобы система имела низкое энергопотребление, стабильность и надежность одновременно и не требовала постоянного ручного вмешательства исследователей во время процесса вычислений. Многие традиционные методы вычисления ДНК требуют постоянного добавления реагентов или подачи дополнительной энергии, чтобы химические реакции протекали по плану.
Команда Вудса применила другой подход, более близкий к технологии ДНК-оригами, появившейся в последние годы, вместо того, чтобы сталкивать большое количество простых цепей ДНК друг с другом, чтобы найти ответ.
Исследователи сначала использовали более длинный «каркас» нуклеиновой кислоты, затем добавили большое количество более коротких фрагментов ДНК и поместили их в теплый солевой раствор. По мере постепенного охлаждения раствора молекулы ДНК взаимодействуют и образуют более стабильные структуры. Полученная структура сама по себе является ответом на вычислительную задачу.
В этой системе молекулы взаимодействуют и образуют структуру, и эта структура является результатом расчетов, — пояснил Вудс. Наиболее важной особенностью всего процесса является то, что система может естественным образом перейти к состоянию с наименьшей энергией, поэтому нет необходимости в постоянном вводе внешней энергии для управления расчетами.
Другими словами, этот тип ДНК-компьютера не потребляет постоянно электричество, чтобы транзисторы могли переключаться на высоких скоростях. Вместо этого он позволяет молекулярной системе самостоятельно найти более стабильное состояние с более низкой энергией и в результате использует окончательную молекулярную структуру.
Исследователи использовали этот метод для запуска множества различных программ, некоторые из которых выполняли вычисления размером до 100 бит. Эксперименты показали, что эта система действительно может выполнять заранее разработанные математические расчеты без необходимости непрерывной подачи электроэнергии.
Однако, если вы посмотрите только на одну скорость вычислений, между ней и традиционными компьютерами на базе кремния все еще существует огромный разрыв. Например, одним из самых быстрых вычислений в эксперименте было сложение 3 и 10, да и то на получение результата ушло около 30 секунд. Для обычных электронных компьютеров эта скорость практически незначительна.
Однако исследователи подчеркнули, что ценность вычислений на ДНК не заключается в конкуренции с центральным процессором за скорость вычислений. Молекулы ДНК могут выполнять очень параллельные химические реакции, и большое количество различных вычислений может выполняться одновременно в одной и той же крошечной реакционной системе. Следовательно, этот тип компьютера лучше подходит для решения определенных задач, которые можно разбить на большое количество параллельных задач.
Абир Эшра, один из соавторов статьи, сказал, что эта реакция может быстро произойти в пробирке. Хотя скорость все еще намного меньше, чем у кремниевого компьютера по сравнению с другими вычислительными системами ДНК, этот метод в настоящее время является самым быстрым решением.
У ДНК также есть преимущество, с которым не могут сравниться традиционные электронные компьютеры, а именно чрезвычайно высокая плотность хранения данных. Теоретически один грамм ДНК может хранить сотни миллионов гигабайт данных, а это означает, что в будущем большой объем цифровой информации человека может даже быть сжат в очень небольшом физическом пространстве.
Если объединить сверхвысокую плотность хранения ДНК с технологией низкоэнергетического чтения и записи данных, а затем использовать механизмы молекулярных вычислений, которые естественным образом стремятся к низкоэнергетическим состояниям для выполнения конкретных задач, можно сформировать систему обработки данных, полностью отличную от традиционных электронных компьютеров.
Этот метод вычислений особенно подходит для сценариев, не требующих высокоскоростной обработки в реальном времени, но требующих длительного хранения и обработки больших объемов информации. По сравнению с традиционными жесткими дисками, твердотельными накопителями и центрами обработки данных ДНК может хранить информацию с чрезвычайно высокой плотностью и оставаться стабильной в течение длительных периодов времени при соответствующих условиях.
Исследователи полагают, что в будущем хранение ДНК и вычисления ДНК могут быть еще более интегрированы, что сделает ДНК не только «молекулярным жестким диском», но и сможет напрямую вычислять хранящиеся в ней данные без необходимости предварительного преобразования всей информации в электронные сигналы.
Это означает, что будущие центры обработки данных не обязательно будут состоять из большого количества высокоскоростных чипов и устройств хранения данных. В некоторых конкретных приложениях спроектированные молекулы ДНК могут одновременно выполнять задачи хранения данных и вычислений, а также напрямую давать результаты посредством химических реакций.
Конечно, эта технология все еще находится на самой ранней стадии исследования. Скорость выполнения простого сложения за 30 секунд явно несопоставима со скоростью современных процессоров, графических процессоров и даже микроконтроллеров. В практических приложениях ДНК-вычисления также должны решать многие проблемы, такие как масштаб вычислений, считывание результатов, контроль химических реакций, надежность и серийное производство.
Поэтому значимость этого исследования не означает, что традиционные электронные компьютеры скоро будут заменены ДНК, но оно доказывает, что вычисления не обязательно требуют постоянного потребления электрической энергии. Исследователи продемонстрировали совершенно другую вычислительную парадигму, позволив молекулярной системе самостоятельно развиваться до стабильного состояния.
Поскольку искусственный интеллект, облачные вычисления и центры обработки данных продолжают увеличивать глобальное энергопотребление вычислений, этот тип вычислительного метода, который потребляет очень мало энергии или даже не требует непрерывного электропитания, может постепенно привлечь больше внимания. В будущем ДНК-вычисления, возможно, не станут заменой компьютеров общего назначения, но в таких областях, как конкретные алгоритмы, массовая обработка информации и долговременное хранение данных, они могут получить преимущества, которые электронным компьютерам будет трудно воспроизвести.
Комментарии