Ученые создали ДНК-компьютер, способный выполнять расчеты в капле воды

Исследователи разработали необычную вычислительную систему, в которой роль процессора выполняют молекулы ДНК. Scaffolded DNA Computer, или SDC, способен решать вычислительные задачи в жидкой среде, используя взаимодействия между миллиардами молекул. В отличие от привычных электронных компьютеров, система не выполняет операции за счет движения электронов по транзисторам, а использует химические реакции и стремление молекул перейти в энергетически выгодное состояние.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Авторы продемонстрировали десять программ, включая умножение, деление, проверку четности и сложение 25-битных чисел. В наиболее масштабном эксперименте система выполняла вычисление со 100 битами данных.

Как работает компьютер из молекул ДНК

Основой SDC стали синтетические цепочки ДНК, помещенные в водный раствор с солями. Исследователи заранее программируют структуру молекул таким образом, чтобы при взаимодействии друг с другом они формировали определенные конфигурации.

Ключевая особенность подхода заключается в том, что вычисление происходит практически само по себе. Система постепенно переходит к термодинамически более стабильному состоянию, которое соответствует правильному результату. Поэтому ученым не приходится постоянно контролировать каждый этап вычисления или создавать отдельный механизм коррекции каждой ошибки.

По сути, исследователи превратили физические свойства молекул в вычислительный инструмент. Изменение структуры ДНК становится аналогом выполнения логической операции, а конечная конфигурация молекул содержит ответ.

ДНК-компьютер оказался медленнее обычного процессора

Называть SDC заменой современным процессорам пока совершенно рано. Электронные компьютеры выполняют огромное количество операций за очень короткое время, тогда как молекулярные вычисления требуют времени на химические взаимодействия и перестройку структур.

При этом небольшие задачи в экспериментах выполнялись менее чем за минуту. Более сложный расчет занял значительно больше времени, а масштабирование системы до 100-битного вычисления существенно увеличивало продолжительность процесса.

Главное преимущество технологии находится в другой области. Молекулярная система способна выполнять вычисления параллельно на огромном количестве взаимодействующих молекул. Кроме того, экспериментальную конструкцию можно использовать повторно десятки раз, что отличает ее от многих ранних вариантов молекулярных вычислителей.

Какие задачи уже удалось решить

Исследователи проверили SDC на десяти различных программах. Среди них были как относительно простые математические операции, так и задачи, требующие работы с большим количеством битов.

В экспериментах были продемонстрированы:

• умножение числа на 3;
• деление на 2;
• определение четности 8-битных данных;
• сложение 25-битных чисел;
• вычисление со 100 битами данных.

Некоторые программы запускали на разных входных данных до 25 раз. Это позволило проверить не только сам принцип работы, но и возможность повторного использования молекулярной вычислительной системы.

Почему разработка важна для будущих компьютеров

Наиболее интересным результатом эксперимента является не скорость вычислений, а сам принцип построения системы. Современные компьютеры обычно должны активно управлять каждым вычислительным процессом и бороться с ошибками. В SDC правильный результат оказывается энергетически предпочтительным, поэтому молекулярная система естественным образом движется к нему.

Эксперты рассматривают подобный подход как одно из направлений так называемых нетрадиционных вычислений. Он может оказаться полезным там, где компактность, параллельная обработка и низкое энергопотребление важнее максимальной скорости.

В перспективе подобные технологии могут найти применение не только в вычислениях. Исследователи связывают молекулярные компьютеры с системами хранения данных, интеллектуальными материалами и потенциальной обработкой информации непосредственно внутри живых клеток.

До практического использования технологии еще далеко

У новой системы остаются серьезные ограничения. Молекулярные вычисления чувствительны к экспериментальным условиям, а сложные конструкции могут сталкиваться с нежелательными взаимодействиями между цепочками ДНК. Авторы также отмечают проблемы с побочными процессами самосборки, утечками в системах замещения цепей и трудоемкой ручной подготовкой экспериментов.

Поэтому SDC сегодня следует рассматривать прежде всего как научную демонстрацию нового принципа вычислений, а не как альтернативу процессорам Intel, AMD или Apple. Для массового применения потребуется автоматизировать подготовку образцов, повысить скорость получения результатов и разработать удобные способы считывания вычислений.

Тем не менее сама идея выглядит перспективно. ДНК уже рассматривается как чрезвычайно плотный носитель информации: предыдущие исследования показывали возможность хранения больших объемов данных в синтетических молекулах.

Новая работа делает следующий шаг и показывает, что ДНК можно использовать не только для хранения информации, но и непосредственно для ее обработки. Если ученым удастся объединить такие вычисления с системами синтеза, хранения и считывания молекулярных данных, в будущем может появиться совершенно новый класс компьютеров, работающих не на кремниевых транзисторах, а на химии самой материи.

Теги:

Источник