Даже пока вы читаете эту статью, производители компьютерных микросхем неистово спешат создать следующий микропроцессор, который побьет рекорды скорости. Однако рано или поздно это соревнование обречено на удар. Микропроцессоры из кремния со временем достигнут своих пределов скорости и миниатюризации. Производителям микросхем нужен новый материал для более высоких скоростей вычислений.
Вы не поверите, где ученые нашли новый материал, необходимый им для создания микропроцессоров следующего поколения. Миллионы естественных суперкомпьютеров существуют внутри живых организмов, включая ваше тело. Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), материала, из которого состоят наши гены, могут выполнять вычисления во много раз быстрее, чем самые мощные в мире компьютеры, созданные человеком. Однажды ДНК может быть интегрирована в компьютерный чип, чтобы создать так называемый биочип, который будет двигать компьютеры еще быстрее. Молекулы ДНК уже используются для решения сложных математических задач.
Все еще находясь в зачаточном состоянии, ДНК-компьютеры будут способны хранить в миллиарды раз больше данных, чем ваш персональный компьютер. Из этой статьи вы узнаете, как ученые используют генетический материал для создания нанокомпьютеров, которые могут занять место компьютеров на основе кремния в следующем десятилетии.
Технология ДНК-вычислений
Компьютеры ДНК пока нельзя найти в вашем местном магазине электроники. Технология все еще находится в разработке, и десять лет назад даже не существовало как концепции. В 1994 году Леонард Адлеман представил идею использования ДНК для решения сложных математических задач. Адлеман, специалист по информатике из Университета Южной Калифорнии, пришел к выводу, что ДНК обладает вычислительным потенциалом после прочтения книги «Молекулярная биология гена», написанной Джеймсом Уотсоном, который в 1953 году открыл структуру ДНК. Фактически, ДНК очень похожа на жесткий диск компьютера тем, как хранит постоянную информацию о ваших генах.Адлемана часто называют изобретателем ДНК-компьютеров. Его статья в выпуске журнала Science за 1994 год описала, как использовать ДНК для решения хорошо известной математической задачи, называемой направленной задачей Гамильтона , также известной как проблема «коммивояжера». Цель задачи - найти кратчайший маршрут между несколькими городами, проходящий через каждый город только один раз. Чем больше вы добавляете к проблеме городов, тем сложнее становится проблема. Адлеман решил найти самый короткий маршрут между семью городами.
Вероятно, вы могли бы изобразить эту проблему на бумаге и прийти к решению быстрее, чем Адлеман, используя свой компьютер в пробирке ДНК. Вот шаги, предпринятые в компьютерном эксперименте Адлемана с ДНК:
- Нити ДНК представляют семь городов. В генах генетическое кодирование представлено буквами A, T, C и G. Некоторая последовательность этих четырех букв представляет каждый город и возможный маршрут полета.
- Затем эти молекулы смешиваются в пробирке, при этом некоторые из этих цепей ДНК слипаются. Цепочка из этих нитей представляет собой возможный ответ.
- В течение нескольких секунд в пробирке создаются все возможные комбинации нитей ДНК, которые представляют ответы.
- Адлеман устраняет неправильные молекулы с помощью химических реакций, в результате чего остаются только маршруты полета, соединяющие все семь городов.
Через три года после эксперимента Адлемана исследователи из Рочестерского университета разработали логические ворота, сделанные из ДНК. Логические вентили - важная часть того, как ваш компьютер выполняет функции, которые вы ему приказываете. Эти ворота преобразуют двоичный код, проходящий через компьютер, в серию сигналов, которые компьютер использует для выполнения операций. В настоящее время логические вентили интерпретируют входные сигналы от кремниевых транзисторов и преобразуют эти сигналы в выходной сигнал, который позволяет компьютеру выполнять сложные функции.
Логические ворота ДНК команды Рочестера - первый шаг к созданию компьютера, который имеет структуру, аналогичную структуре электронного ПК. Вместо использования электрических сигналов для выполнения логических операций эти логические ворота ДНК полагаются на код ДНК. Они обнаруживают фрагменты генетического материала в качестве входных данных, объединяют эти фрагменты и формируют единый выход. Например, генетический вентиль, называемый «И-ворота», связывает два входа ДНК, химически связывая их, так что они заперты в сквозную структуру, подобно тому, как два Лего могут быть скреплены третьим Лего между ними. Исследователи считают, что эти логические ворота могут быть объединены с микрочипами ДНК, чтобы совершить прорыв в вычислениях ДНК.
Компоненты ДНК-компьютера - логические ворота и биочипы - потребуются годы, чтобы превратиться в практичный, работоспособный ДНК-компьютер. Ученые говорят, что если такой компьютер когда-либо будет построен, он будет более компактным, точным и эффективным, чем обычные компьютеры. В следующем разделе мы рассмотрим, как ДНК-компьютеры могут превзойти своих предшественников на основе кремния и какие задачи эти компьютеры будут выполнять.
Превосходя кремний?
Хотя ДНК-компьютеры не обогнали кремниевые микропроцессоры, исследователи добились определенного прогресса в использовании генетического кода для вычислений. В 2003 году израильские ученые продемонстрировали ограниченный, но работающий ДНК-компьютер. Вы можете прочитать об этом на сайте National Geographic .
Кремний против микропроцессоров ДНК
Кремниевые микропроцессоры были сердцем компьютерного мира более 40 лет. За это время производители втиснули в свои микропроцессоры все больше и больше электронных устройств. В соответствии с законом Мура количество электронных устройств, устанавливаемых на микропроцессор, удваивается каждые 18 месяцев. Закон Мура назван в честь основателя Intel Гордона Мура, который в 1965 году предсказал, что микропроцессоры будут удваиваться по сложности каждые два года. Многие предсказывали, что закон Мура скоро достигнет своей цели из-за физической скорости и ограничений миниатюризации кремниевых микропроцессоров.У компьютеров ДНК есть потенциал, чтобы вывести вычисления на новый уровень, продолжая там, где заканчивается закон Мура. Использование ДНК вместо кремния дает несколько преимуществ:
- Пока есть клеточные организмы, всегда будет запас ДНК.
- Большой запас ДНК делает ее дешевым ресурсом.
- В отличие от токсичных материалов, используемых для изготовления традиционных микропроцессоров, ДНК-биочипы могут быть чистыми.
- Компьютеры ДНК во много раз меньше современных компьютеров.
В отличие от обычных компьютеров, ДНК-компьютеры выполняют вычисления параллельно с другими вычислениями. Обычные компьютеры работают линейно, выполняя задачи по одной. Именно параллельные вычисления позволяют ДНК решать сложные математические задачи за часы, тогда как электрические компьютеры могут решать их за сотни лет.
Маловероятно, что первые компьютеры ДНК будут оснащены программами обработки текста, электронной почты и пасьянсов. Вместо этого их мощные вычислительные мощности будут использоваться национальными правительствами для взлома секретных кодов или авиакомпаниями, желающими прокладывать более эффективные маршруты. Изучение компьютеров ДНК также может привести нас к лучшему пониманию более сложного компьютера - человеческого мозга.
