Аннотация:
Исследователи из Университета Мейнут в Ирландии разработали новый тип ДНК-компьютера, который не опирается на традиционные кремниевые чипы и непрерывный ввод электрической энергии, а использует взаимодействие между молекулами ДНК для выполнения математических операций. Система способна выполнять такие операции, как сложение, вычитание, умножение и деление, а также в экспериментах успешно обрабатывает сложные вычисления с использованием 100-битных данных.
Исследователи заявили, что система не только может быть использована повторно, но также может полагаться на взаимодействие самих молекул для завершения вычислений после запуска, обеспечивая новые направления исследований для будущих вычислений с низким энергопотреблением, долгосрочного хранения данных и биомедицинских приложений.
Результат исследования был опубликован в международном академическом журнале Nature. Исследовательская группа называет эту систему «компьютером ДНК-каркасов» (SDC) и описывает ее как одну из наиболее сложных и быстрых молекулярных вычислительных систем, известных на данный момент.
В отличие от традиционных компьютеров, которые обрабатывают двоичную информацию посредством переключения состояний транзисторов, ДНК-компьютеры используют для обработки информации химические свойства молекул нуклеиновых кислот. Исследователи заранее проектируют последовательности различных фрагментов ДНК, позволяя этим молекулам объединяться друг с другом по определенным правилам и в конечном итоге образовывать молекулярную структуру, которая может представлять результаты вычислений.
Вся система не похожа на компьютер в традиционном понимании. Для него не требуется материнская плата, процессор или видеокарта, а также большое количество высокоскоростных переключающих транзисторов, которые имеются в традиционных электронных компьютерах. В ходе эксперимента исследователям нужно всего лишь смешать в пробирке воду, соль, короткие фрагменты ДНК и более длинный каркас ДНК, и посредством небольшого нагревания и последующего охлаждения можно запустить процесс расчета.
Среди них более длинные цепи ДНК действуют как каркасы, а короткие фрагменты ДНК комбинируются с ними по заранее разработанным правилам. По мере изменения температуры молекулы продолжают объединяться и перестраиваться, постепенно образуя более стабильную структуру. Окончательное расположение молекул соответствует ответу на задачу расчета.
Профессор Дамиан Вудс из Гамильтонского института Университета Мейнута сказал, что ключевым нововведением этой технологии является то, что система может естественным образом находить соответствующий ответ без необходимости постоянного ввода энергии для управления каждым шагом вычислений.
Этот метод расчета использует принципы термодинамики. Когда молекулы ДНК взаимодействуют, разные методы связывания имеют разные энергетические состояния. Рационально проектируя последовательности ДНК и каркасные структуры, исследователи могут привести молекулярное расположение, представляющее правильный ответ, в соответствие с более благоприятным энергетическим состоянием, так что вся система постепенно стремится к этому состоянию в процессе самосборки.
Другими словами, вместо того, чтобы просить процессор выполнить вычисления шаг за шагом в соответствии с серией электронных инструкций, как в традиционных программах, исследователи заранее кодируют правила вычислений в молекулах ДНК, а затем позволяют молекулам полагаться на свои собственные химические взаимодействия, чтобы найти результаты, соответствующие правилам.
Этот метод особенно подходит для изучения расчетов на молекулярном уровне. В одном растворе может одновременно взаимодействовать большое количество молекул ДНК, поэтому система потенциально обладает возможностями параллельной обработки. Однако большое количество молекул не означает, что все расчеты можно выполнить сразу. Конечная скорость по-прежнему зависит от множества звеньев, таких как молекулярные реакции, сборка структуры и считывание результатов.
Чтобы проверить реальные возможности системы, исследовательская группа разработала и протестировала 10 различных вычислительных программ, включающих различные математические операции, включая задачи вычислений с масштабом данных до 100 бит.
В ходе простого эксперимента ДНК-компьютер успешно выполнил операцию 10 плюс 3, которая заняла около 30 секунд. Для обычного компьютера этот расчет был бы завершен почти мгновенно, но для системы, которая для завершения расчета полагается на самосборку молекул, этот результат демонстрирует ее способность справляться с простыми вычислительными задачами.
В другом, более сложном эксперименте исследователи попросили систему сложить числа в диапазоне от 11 до 34 миллионов. Из-за большего масштаба вычислений системе в конечном итоге требуется около 14 часов для получения результатов.
Эти эксперименты показывают, что ДНК-компьютеры могут решать гораздо более сложные задачи, чем простое сложение однозначных цифр, но между скоростью их вычислений и традиционными кремниевыми чипами все еще существует огромный разрыв. Исследователи не пытаются создать его как прямую замену обычным компьютерам, а надеются изучить другой способ использования самой материи для обработки информации.
Ассистент профессора Абир Эшра, принимавший участие в исследовании, рассказал, что скорость отклика этой системы не такая высокая, как у кремниевых чипов, но ее производительность имеет преимущества по сравнению с другими ранее разработанными ДНК-компьютерами. Она подчеркнула, что цель исследования — не заставить ДНК-компьютеры превзойти традиционные электронные компьютеры во всех задачах, а воспользоваться потенциальными преимуществами молекулярных вычислений с точки зрения энергопотребления и параллельной обработки.
Помимо вычислительной мощности, одним из важных результатов этого исследования также является возможность повторного использования системы. Эксперименты показали, что одна и та же вычислительная система ДНК может непрерывно выполнять до 25 различных вычислительных задач без необходимости каждый раз полностью перестраивать систему.
Для молекулярных вычислений важна возможность повторного использования. Некоторые ранние методы вычисления ДНК потребляли большое количество молекулярных материалов, что затрудняло дальнейшее использование исходной системы после завершения расчета. Если для каждой операции необходимо заново готовить большое количество молекул ДНК, стоимость и сложность практического применения соответствующей технологии значительно возрастут.
Систему, разработанную командой Университета Мейнута, можно повторно использовать в непрерывных вычислениях, что дает возможность в будущем создать более практичную платформу молекулярных вычислений. Однако исследования все еще находятся на лабораторной стадии, и стабильность системы при выполнении более сложных задач, длительных запусков и крупномасштабных развертываний требует дальнейшей проверки.
В основе этого исследования лежит энергетическое давление, вызванное продолжающимся ростом глобальных потребностей в вычислениях и хранении данных.
Модели искусственного интеллекта, службы облачных вычислений и крупные центры обработки данных требуют непрерывной работы большого количества процессоров. Поскольку масштаб вычислительных задач продолжает расширяться, энергопотребление традиционных электронных вычислительных систем становится все более важной проблемой промышленного развития.
Вудс отметил, что на компьютеры и хранение данных приходится значительная часть потребления электроэнергии в Ирландии. Он считает, что долгое время люди были склонны приравнивать компьютеры к кремниевым чипам и электронным схемам, но игнорировали, что в природе существуют и другие системы, способные обрабатывать информацию.
Мозг — один из примеров. Человеческий мозг способен выполнять сложные задачи по обработке информации с гораздо меньшим энергопотреблением, чем многие современные вычислительные системы. Хотя вычисления ДНК работают не так, как мозг, исследователи надеются найти новые вычислительные архитектуры, исследуя физические и химические процессы, которые отличаются от традиционных электронных вычислений.
ДНК сама по себе также имеет чрезвычайно высокую плотность информации. Он состоит из четырех основных нуклеотидов, которые кодируют информацию в разных вариантах. Теоретически ДНК может хранить большие объемы данных в чрезвычайно маленьком объеме, поэтому ее уже давно рассматривают как потенциальную среду для будущего хранения данных с высокой плотностью.
Однако хранение ДНК и вычисления ДНК — это два связанных, но разных направления исследований. Хранение ДНК в основном сосредоточено на том, как кодировать цифровую информацию в последовательности нуклеиновых кислот и надежно считывать ее при необходимости; ДНК-вычисления пытаются использовать взаимодействия между молекулами для непосредственного выполнения логических или математических операций. Основное внимание в этом исследовании уделяется последнему, и оно также обеспечивает основу для будущего изучения систем, сочетающих вычисления и хранение.
Исследователи полагают, что эта технология может быть использована в будущем для конкретных сценариев, когда требуется долгосрочное сохранение информации, ограничено энергоснабжение или могут быть полностью использованы возможности параллельной обработки молекул. Например, в некоторых системах долговременного хранения данных, если сохранение информации можно интегрировать с частью вычислительных задач, появляется возможность снизить зависимость от традиционного электронного оборудования.
В будущем молекулярные вычисления могут быть объединены с биомедицинскими исследованиями. Поскольку ДНК сама по себе является информационной молекулой в живых организмах, исследователи надеются выяснить, можно ли использовать подобные молекулярные системы для выполнения конкретных задач внутри клеток или в биологической среде, таких как идентификация определенных молекулярных сигналов, связанных с болезнями.
Ожидается, что если такие системы будут реализованы в будущем, они помогут исследователям разработать новые молекулярные сенсоры или позволят конкретным биомолекулам реагировать на окружающую среду. Однако нынешний ДНК-компьютер по-прежнему представляет собой экспериментальную систему, работающую в пробирке, что не означает, что ученым удалось имплантировать полноценный ДНК-компьютер в клетки человека.
С инженерной точки зрения с помощью этой технологии еще предстоит решить множество проблем. Во-первых, процесс сборки молекул ДНК требует соответствующих температур, условий растворения и концентрации молекул, и исследователи должны гарантировать, что различные серии экспериментов могут давать согласованные результаты. Во-вторых, после завершения расчета системе также необходимо прочитать молекулярную структуру с помощью соответствующих методов и преобразовать результаты в информацию, которую могут использовать люди или другие вычислительные устройства.
Для крупномасштабных приложений также важно повысить скорость сложных вычислений, уменьшить количество ошибок, снизить стоимость материалов ДНК и наладить повторяемые процессы подготовки. Даже если молекулы смогут выполнять операции без необходимости постоянной мощности, процесс нагрева, подготовки и считывания экспериментального оборудования все равно может потреблять энергию. Следовательно, более точное значение этого исследования состоит в том, чтобы продемонстрировать механизм молекулярных вычислений, который не требует непрерывного электричества для управления процессом вычислений, а не доказать, что весь экспериментальный процесс вообще не требует энергии.
Проект DISCO, в котором участвовала исследовательская группа, — Проект базовой инфраструктуры хранения и вычислений ДНК — направлен на дальнейшее развитие методов использования ДНК для хранения информации и вычислений. Проект получил около 4 миллионов евро финансирования от Европейского совета по инновациям и возглавлялся Вудсом.
Исследователи заявили, что текущая работа представляет собой поисковые фундаментальные исследования, и по-прежнему существует большая неопределенность в направлении будущего применения. ДНК-компьютеры не заменят традиционные процессоры в ПК, смартфонах или центрах обработки данных искусственного интеллекта в краткосрочной перспективе, но могут предоставить другой способ реализации определенных специализированных вычислительных задач.
Что действительно важно в этом исследовании, так это то, что оно показывает, что вычисления не обязательно должны полагаться исключительно на транзисторы и электронные схемы с постоянным питанием. Тщательно спроектировав молекулярную структуру, исследователи смогли позволить ДНК выполнять математические операции в процессе самосборки и сохранить структуру, которая представляла собой результаты после завершения расчетов.
Поскольку требования к вычислениям и энергопотребление продолжают расти, поиск методов вычислений, отличных от традиционных кремниевых чипов, стал важным направлением исследований в научном сообществе. ДНК-компьютеры еще далеки от практического применения, но они открывают направление, которое стоит продолжать исследовать в области низкоэнергетических вычислений, молекулярной обработки информации и новых технологий хранения данных.
Комментарии