Kodėl jūsų kitas superkompiuteris veiks naudojant sūrų vandenį ir DNR

Ar galėtų keli lašai vandens mėgintuvėlyje ilgainiui pakeisti masyvaus, daug elektros vartojančio duomenų centro ūžesį? Tai skamba kaip mokslinės fantastikos romano siužetas, tačiau Meinuto universiteto (Maynooth University) tyrėjai neseniai įrodė, kad tai yra apčiuopiama mokslinė realybė. Komanda sukūrė pirmąjį pasaulyje DNR kompiuterį, kuris atlieka sudėtingus matematinius skaičiavimus be tradicinio maitinimo šaltinio.

Mes ilgą laiką laikėme silicio lustą skaitmenine šių laikų nafta. Jis maitina viską – nuo jūsų skrudintuvo iki serverių, kuriuose talpinami jūsų socialinių tinklų srautai. Tačiau ši priklausomybė turi didelę kainą. Silicio pagrindu veikianti kompiuterija yra energijos rijūnė. Airijoje duomenų centrai ir saugyklos šiuo metu suvartoja 23 % visos šalies elektros energijos. Siekiant daugiau dirbtinio intelekto ir didesnių duomenų rinkinių, dabartinis aparatinės įrangos modelis atsimuša į sieną. Meinuto universiteto proveržis siūlo kitokį kelią, informacijai apdoroti naudojant pagrindines gyvybės sudedamąsias dalis.

Kaip skystas kompiuteris randa teisingą atsakymą

Tradiciniai kompiuteriai veikia judindami elektronus per mažus vartus silicio plokštėje. DNR kompiuteris, kurį sukūrė profesorius Damien Woods ir jo komanda Hamiltono institute, veikia pagal visiškai kitokias taisykles. Vietoj elektros ši sistema naudoja chemiją. Tyrėjai pradeda nuo mažo vandens ir druskos lašelio. Į mėgintuvėlį jie prideda trumpas DNR atkarpas ir ilgesnį DNR karkasą.

Norint pradėti skaičiavimą, mišiniui reikia nedidelio kiekio šilumos. Skysčiui vėstant, DNR gijos pradeda sąveikauti. Jos ne tiesiog be tikslo plūduriuoja; jos užprogramuotos jungtis tam tikrais būdais. Dr. Abeer Eshra, viena iš pagrindinių projekto tyrėjų, aiškina, kad trilijonai DNR gijų viename laše veikia kartu. Molekulės suformuoja fizinę struktūrą, o ši galutinė struktūra ir yra matematinis atsakymas.

Šis procesas iš esmės yra savaime susirenkančios logikos forma. Įsivaizduokite „Lego“ kaladėlių dėžę, kurios gali susijungti tik tada, jei teisingai išsprendžia matematikos uždavinį. Jūs papurtote dėžę, o ją atidarę matote, kad kaladėlės suformavo skaičių 13, nes tai buvo jūsų pateiktos lygties suma. Meinuto eksperimento metu komanda paleido dešimt skirtingų programų, įskaitant sudėtį ir dalybą. Jie sėkmingai atliko 100 bitų skaičiavimus, o tai yra sudėtingumo lygis, retai matomas molekulinėje kompiuterijoje.

Greičio ir efektyvumo santykis

Vidutiniam vartotojui, pripratusiam prie momentinių rezultatų, DNR kompiuterijos greitis iš pradžių gali pasirodyti nuviliantis. Kai komanda paprašė sistemos sudėti 10 ir 3, tai užtruko 30 sekundžių. Sudėtingesnis skaičiavimas su skaičiais nuo 11 milijonų iki 34 milijonų užtruko 14 valandų. Jūsų išmanusis telefonas tai galėtų padaryti per milisekundės dalį.

Tačiau DNR kompiuterio lyginimas su žaidimų nešiojamuoju kompiuteriu neatspindi technologijos esmės. Tikslas nėra laimėti sprintą; tikslas yra pajudinti duomenų kalną sunaudojant beveik nulį energijos. Kai pradinė šiluma sužadina reakciją, DNR molekulės natūraliai randa atsakymą be nuolatinio energijos srauto. Dėl to sistema yra neįtikėtinai energetiškai efektyvi.

Be to, šis konkretus DNR kompiuteris yra greičiausias savo klasėje. Nors jis lėtesnis už silicį, jis yra daug greitesnis ir patvaresnis už ankstesnius biologinius kompiuterius. Komanda įrodė, kad sistema yra daugkartinio naudojimo, atlikdama 25 skirtingus skaičiavimus iš eilės. Šis atsparumas yra didelis pokytis, lyginant su senesnėmis molekulinėmis sistemomis, kurios dažnai sugestų po vieno panaudojimo.

Kodėl technologijų pramonė žvelgia į mėgintuvėlius

Praktiškai kalbant, matome naujo lygio infrastruktūros atsiradimą. 4 mln. eurų vertės DISCO projektas, kuriam vadovauja profesorius Woodsas ir kurį remia Europos inovacijų taryba, tiria, kaip užpildyti spragą tarp šių eksperimentų mėgintuvėliuose ir realaus pasaulio duomenų saugojimo. DNR yra neįtikėtinai tanki terpė informacijai išsaugoti. Teoriškai visus pasaulio skaitmeninius duomenis galėtumėte sutalpinti keliuose litruose DNR skysčio.

Žvelgiant į platesnį vaizdą, ši technologija sprendžia sisteminę duomenų nykimo problemą. Kietieji diskai ir magnetinės juostos per dešimtmečius degraduoja. DNR, laikoma tinkamomis sąlygomis, išlieka nuskaitoma tūkstančius metų. Mums pavyko nustatyti DNR sekas iš vilnonių mamutų, kurie nugaišo prieš eonus. Negalime pasakyti to paties apie USB raktą, paliktą stalčiuje dvidešimčiai metų.

Rinkos požiūriu šis pokytis galėtų pakeisti įmonių požiūrį į ilgalaikį archyvavimą. Vietoj masyvių sandėlių, užpildytų ūžiančiais, šilumą skleidžiančiais serveriais, įmonė galėtų saugoti savo istorinius įrašus stabiliu, šalto saugojimo biologiniu formatu. Tai lėtas, bet užtikrintas sprendimas pasauliui, kuris sukuria daugiau duomenų, nei moka išsaugoti.

Iš mėgintuvėlių į žmogaus kūną

Be duomenų centrų, didžiausias šių tyrimų perversmo potencialas slypi medicinoje. Kadangi šis kompiuteris pagamintas iš tos pačios medžiagos kaip ir mūsų pačių genetinis kodas, jis natūraliai suderinamas su biologinėmis sistemomis. Profesorius Woodsas teigia, kad laikui bėgant molekulinės sistemos galėtų veikti gyvų ląstelių viduje.

Kasdieniame gyvenime tai galėtų atrodyti kaip išmanus diagnostikos įrankis, gyvenantis jūsų kraujotakoje. DNR pagrindu veikiantis kompiuteris galėtų būti užprogramuotas aptikti ligos cheminius požymius, atlikti loginį patikrinimą diagnozei patvirtinti ir tada paskatinti specifinio baltymo išsiskyrimą problemai gydyti. Tai tokio lygio tikslumas, kurio tradicinė silicio įranga negali pasiekti, nes negalite lengvai įdėti mikroschemos į vieną ląstelę jos nepažeisdami.

Štai kodėl Meinuto universiteto tyrimai yra tokie reikšmingi. Jie perkelia DNR kompiuteriją iš abstrakčios teorijos srities į funkcinę, programuojamą realybę. Komanda parodė, kad biologinė aparatinė įranga nėra tik įdomybė; tai keičiamo masto technologija, galinti apdoroti daugiapakopę logiką.

Esmė vartotojams

Šiandien tai reiškia pokytį mūsų mąstyme apie interneto ateitį. Šiuo metu esame cikle, kuriame kiekviena technologinė pažanga reikalauja daugiau galios ir daugiau aušinimo. Meinuto komanda meta iššūkį šiai trajektorijai. Jie įrodo, kad kompiuterija gali būti tyli, šlapia ir energetiškai neutrali.

Mažai tikėtina, kad artimiausiu metu ant savo nešiojamųjų kompiuterių pamatysime lipdukus „DNR viduje“ (DNA Inside). Silicis išliks karaliumi atliekant didelės spartos užduotis, tokias kaip vaizdo įrašų montavimas, žaidimai ir realaus laiko komunikacija. Tačiau pamatiniams mūsų skaitmeninio pasaulio sluoksniams – archyvams, medicininei diagnostikai ir ilgalaikiam duomenų saugojimui – biologinis perėmimas yra pagrindinis kandidatas.

Galiausiai šie tyrimai kviečia mus įvertinti nematomą pramoninę mechaniką, kuri palaiko mūsų skaitmeninį gyvenimą. Esame pripratę, kad kompiuteriai yra standūs, karšti ir elektriniai. Žvelgiant į silicio eros pabaigą, gali paaiškėti, kad pažangiausios mašinos planetoje bus tos, kurios labiausiai panašios į mus pačius.

Šaltiniai

• Nature: "A programmable and reusable DNA computer for 100-bit computations"
• Maynooth University Hamilton Institute: DNA-based infrastructure for Storage and Computation (DISCO) projekto ataskaitos
• European Innovation Council: Dotacijų pranešimai molekulinės kompiuterijos tyrimams
• Ireland Sustainable Energy Authority: Duomenų centrų energijos suvartojimo ataskaitos 2024-2026