Kāpēc jūsu nākamais superdators darbosies ar sālsūdeni un DNS

Vai daži ūdens pilieni mēģenē ar laiku varētu aizstāt masīva, elektrību alkstoša datu centra dūkoņu? Tas izklausās pēc zinātniskās fantastikas romāna sižeta, tomēr Meinūtas Universitātes (Maynooth University) pētnieki nesen pierādīja, ka tā ir taustāma zinātniskā realitāte. Komanda ir izveidojusi pasaulē pirmo DNS datoru, kas veic sarežģītus matemātiskus aprēķinus bez tradicionāla barošanas avota.

Mēs jau sen esam uzskatījuši silīcija mikroshēmu par mūsdienu digitālo jēlnaftu. Tā darbina visu, sākot no jūsu tostera un beidzot ar serveriem, kuros tiek uzturētas jūsu sociālo tīklu plūsmas. Tomēr šai atkarībai ir augsta cena. Uz silīcija bāzes veidota skaitļošana ir enerģijas rijējs. Īrijā datu centri un krātuvju telpas šobrīd patērē 23% no valsts elektroenerģijas piedāvājuma. Tā kā mēs tiecamies pēc arvien jaudīgāka mākslīgā intelekta un lielākām datu kopām, pašreizējais aparatūras modelis atduras pret sienu. Meinūtas Universitātes izrāviens piedāvā citu ceļu, informācijas apstrādei izmantojot dzīvības pamata būvelementus.

Kā šķidrs dators atrod pareizo atbildi

Tradicionālie datori darbojas, pārvietojot elektronus caur sīkiem vārtiem uz silīcija plates. DNS dators, ko izstrādājis profesors Deimians Vudss (Damien Woods) un viņa komanda Hamiltona institūtā, darbojas pēc pilnīgi citiem noteikumiem. Elektrības vietā šī sistēma izmanto ķīmiju. Pētnieki sāk ar nelielu ūdens un sāls pilienu. Viņi mēģenē pievieno īsus DNS fragmentus un garāku DNS karkasu.

Lai sāktu skaitļošanu, maisījumam ir nepieciešams neliels siltuma daudzums. Šķidrumam atdziestot, DNS pavedieni sāk mijiedarboties. Tie nepeld apkārt bez mērķa; tie ir ieprogrammēti savienoties noteiktos veidos. Dr. Abīra Ešra (Abeer Eshra), viena no projekta vadošajām pētniecēm, skaidro, ka triljoniem DNS pavedienu vienā pilienā darbojas kopā. Molekulas veido fizisku struktūru, un šī pabeigtā struktūra ir matemātiskā atbilde.

Šis process būtībā ir pašorganizējošās loģikas veids. Iedomājieties Lego kluču kasti, kurā kluči var savienoties tikai tad, ja tie pareizi atrisina matemātikas uzdevumu. Jūs sakratāt kasti, un, kad to atverat, kluči ir izveidojuši skaitli 13, jo tā bija jūsu dotā vienādojuma summa. Meinūtas eksperimentā komanda palaida desmit dažādas programmas, tostarp saskaitīšanu un dalīšanu. Viņi veiksmīgi veica 100 bitu aprēķinus, kas ir molekulārajā skaitļošanā reti novērots sarežģītības līmenis.

Kompromiss starp ātrumu un efektivitāti

Vidusmēra lietotājam, kurš pieradis pie tūlītējiem rezultātiem, DNS skaitļošanas ātrums sākumā var šķist neiespaidīgs. Kad komanda lūdza sistēmai saskaitīt 10 un 3, tas prasīja 30 sekundes. Sarežģītāks aprēķins, kurā bija iesaistīti skaitļi no 11 miljoniem līdz 34 miljoniem, prasīja 14 stundas. Jūsu viedtālrunis to varētu izdarīt milisekundes daļā.

Tomēr DNS datora salīdzināšana ar spēļu klēpjdatoru neļauj saskatīt tehnoloģijas būtību. Mērķis nav uzvarēt sprintā; mērķis ir pārvietot milzīgu datu kalnu ar gandrīz nulles enerģijas patēriņu. Tiklīdz sākotnējais siltums iekustina reakciju, DNS molekulas atrod atbildi dabiski, bez nepieciešamības pēc pastāvīgas strāvas padeves. Tas padara sistēmu neticami energoefektīvu.

Turklāt šis konkrētais DNS dators ir ātrākais savā veidā. Lai gan tas ir lēnāks par silīciju, tas ir daudz ātrāks un izturīgāks par iepriekšējiem bioloģiskajiem datoriem. Komanda pierādīja, ka sistēma ir atkārtoti lietojama, veicot 25 dažādus aprēķinus pēc kārtas. Šī noturība ir atkāpe no vecākām molekulārajām sistēmām, kas bieži vien sabojājās pēc vienas lietošanas reizes.

Kāpēc tehnoloģiju nozare skatās mēģeņu virzienā

Praktiski runājot, mēs redzam jauna līmeņa infrastruktūras rašanos. 4 miljonus eiro vērtais DISCO projekts, ko vada profesors Vudss un atbalsta Eiropas Inovācijas padome, pēta, kā pārvarēt plaisu starp šiem mēģeņu eksperimentiem un reālās pasaules datu glabāšanu. DNS ir neticami blīvs informācijas saglabāšanas medijs. Teorētiski visus pasaules digitālos datus varētu uzglabāt dažos litros DNS šķidruma.

Raugoties uz kopējo ainu, šī tehnoloģija risina sistēmisko datu sabrukšanas problēmu. Cietie diski un magnētiskās lentes gadu desmitu laikā nolietojas. DNS, ja to uzglabā pareizos apstākļos, paliek nolasāms tūkstošiem gadu. Mēs esam veiksmīgi sekvenējuši DNS no vilnainajiem mamutiem, kas miruši pirms eoniem. To pašu nevar teikt par USB zibatmiņu, kas atstāta atvilktnē uz divdesmit gadiem.

Tirgus pusē šī maiņa varētu mainīt to, kā uzņēmumi pieiet ilgtermiņa arhivēšanai. Masīvu noliktavu vietā, kas piepildītas ar dūcošiem, siltumu ģenerējošiem serveriem, uzņēmums varētu glabāt savus vēsturiskos ierakstus stabilā, bioloģiskā aukstās uzglabāšanas formātā. Tas ir lēnas iedarbības risinājums pasaulei, kas saražo vairāk datu, nekā prot saglabāt.

No mēģenēm līdz cilvēka ķermenim

Papildus datu centriem vislielākais graujošais potenciāls šim pētījumam ir medicīnā. Tā kā šis dators ir izgatavots no tāda paša materiāla kā mūsu pašu ģenētiskais kods, tas ir dabiski saderīgs ar bioloģiskajām sistēmām. Profesors Vudss pieļauj, ka ar laiku molekulārās sistēmas varētu darboties dzīvās šūnās.

Ikdienas dzīvē tas varētu izskatīties kā vieds diagnostikas rīks, kas atrodas jūsu asinsritē. DNS bāzētu datoru varētu ieprogrammēt, lai tas noteiktu slimības ķīmiskos parakstus, veiktu loģisko pārbaudi diagnozes apstiprināšanai un pēc tam iedarbinātu specifiska proteīna izdalīšanos, lai ārstētu problēmu. Tas ir precizitātes līmenis, ko tradicionālā silīcija aparatūra nevar sasniegt, jo jūs nevarat viegli ievietot mikroshēmu vienā šūnā, to nesabojājot.

Tāpēc Meinūtas Universitātes pētījums ir tik nozīmīgs. Tas izved DNS skaitļošanu no abstraktas teorijas jomas funkcionālā, programmējamā realitātē. Komanda ir parādījusi, ka bioloģiskā aparatūra nav tikai kuriozs; tā ir mērogojama tehnoloģija, kas spēj tikt galā ar daudzpakāpju loģiku.

Secinājumi patērētājiem

Šodien tas nozīmē maiņu tajā, kā mēs domājam par interneta nākotni. Pašlaik mēs atrodamies ciklā, kurā katram tehnoloģiskajam sasniegumam ir nepieciešams vairāk jaudas un vairāk dzesēšanas. Meinūtas komanda izaicina šo trajektoriju. Viņi pierāda, ka skaitļošana var būt klusa, mitra un enerģētiski neitrāla.

Maz ticams, ka drīzumā uz saviem klēpjdatoriem redzēsim uzlīmes "DNA Inside". Silīcijs joprojām būs karalis ātrdarbīgos uzdevumos, piemēram, video montāžā, spēlēs un reāllaika saziņā. Tomēr mūsu digitālās pasaules fundamentālie slāņi — arhīvi, medicīniskā diagnostika un ilgtermiņa datu uzglabāšana — ir galvenie kandidāti bioloģiskajai pārņemšanai.

Galu galā šis pētījums aicina mūs novērtēt neredzamo industriālo mehāniku, kas nodrošina mūsu digitālo dzīvi. Mēs esam pieraduši, ka datori ir stingri, karsti un elektriski. Raugoties uz silīcija ēras beigām, vismodernākās mašīnas uz planētas var izrādīties tās, kas visvairāk atgādina mūs pašus.

Avoti

• Nature: "A programmable and reusable DNA computer for 100-bit computations"
• Maynooth University Hamilton Institute: DNA-based infrastructure for Storage and Computation (DISCO) project reports
• European Innovation Council: Grant announcements for molecular computing research
• Ireland Sustainable Energy Authority: Data center energy consumption reports 2024-2026