Informacije

Šta je DNK računarstvo, kako to funkcionira i zašto je to tako velika stvar

Šta je DNK računarstvo, kako to funkcionira i zašto je to tako velika stvar

U protekloj deceniji inženjeri su se suočili sa surovom fizičkom stvarnošću u potrazi za moćnijim računarima: tranzistori, prekidači za uključivanje i isključivanje koji napajaju računarski procesor, ne mogu biti manji nego što su trenutno. Gledajući dalje od silicijskog čipa, trenutno se razvija intuitivna alternativa pomoću DNK za izvođenje istih vrsta složenih proračuna kao što to sada rade silicijski tranzistori. Ali šta je računanje DNK, kako funkcionira računanje DNK i zašto je to tako velika stvar?

Iza tranzistora

Problem tranzistora je u tome što oni sada postoje u mjeri od nekoliko nanometara - debeli su samo nekoliko atoma silicija. Ne mogu se praktično učiniti manjim nego što su sada.

Ako postanu manje, električna struja koja prolazi kroz tranzistor lako istječe u druge komponente u blizini ili transformira tranzistor uslijed topline, čineći ga beskorisnim. Za rad tranzistora potreban vam je minimalni broj atoma i mi smo funkcionalno dosegli tu granicu.

Inženjeri su pronašli neke načine za rješavanje ovog problema korištenjem višejezgrenih i višeprocesorskih sistema za povećanje računske snage bez potrebe za daljnjim smanjenjem tranzistora, ali i ovo dolazi s kompromisima u pogledu programskih izazova i zahtjeva za napajanjem, pa je potrebno drugo rješenje ako nadamo se da ćemo u budućnosti vidjeti snažnije računare.

VIDI TAKOĐE: KOGNITIVNO RAČUNARSTVO: VIŠE LJUDSKO OD VEŠTAČKE INTELIGENCIJE

Iako kvantno računanje u posljednje vrijeme sve više dolazi do izražaja, računanje DNK može biti jednako - ili čak i snažnije - čak i kvantno računanje i ne nailazi na približno toliko ograničenja stabilnosti koja ima kvantno računanje. Osim toga, znamo da djeluje; mi sami smo živi primjeri pohrane podataka i računske snage računanja DNK.

Izazov za računanje DNK je da je u poređenju sa klasičnim računanjem bolno spor. Evolucija je imala stotine miliona godina da razvije složeni slijed DNK koji postoji u svakoj od naših ćelija, tako da je DNK navikla raditi u skladu s geološkim vremenskim okvirom, a ne sa više gigaherca modernih klasičnih procesora.

Pa kako onda funkcionira računanje DNK i zašto ga provodimo ako je tako sporo?

Šta je računanje DNK, kako funkcionira i zašto je to tako velika stvar?

Da bismo razumjeli što je DNK računarstvo, kako ono funkcionira i zašto je računanje DNK tako velika stvar, prvo moramo prestati razmišljati o njemu kao o nekoj vrsti zamjene za našu svakodnevnu klasičnu upotrebu računara; nećemo uskoro igrati igre na DNK računaru, da je takvo što uopće moguće. Silicijski čipovi će biti s nama još jako dugo.

DNK računarstvo je ono što bismo koristili za rješavanje problema izvan okvira onoga što klasični računar može riješiti, na isti način na koji kvantno računanje može prekinuti RSA enkripciju za trenutke, dok bi klasičnom računaru trebalo hiljade godina da učini isto.

Računanje DNK prvi je opisao 1994. godine informatičar Leonard Adleman sa Univerziteta u Južnoj Kaliforniji. Nakon čitanja o strukturi DNK, nadahnut je da napiše rad u časopisu Nauka pokazujući kako možete koristiti DNK za zloglasni matematički i informatički problem poznat kao usmjereni problem Hamilton Path, koji se obično naziva problemom „putujućeg trgovca“ (iako je Hamilton Path problem malo drugačija verzija problema putničkog prodavača, u naše svrhe su u osnovi međusobno zamjenjivi).

U čemu je problem putujućeg trgovca?

Kako ga definira problem putničkog trgovca, kompanija ima prodavača koji mora posjetiti n broj gradova koji pozivaju i mogu posjetiti svaki grad samo jednom. Koji redoslijed posjećenih gradova pruža najkraći, a time i najjeftiniji put?

Kada n jednako je 5, problem se može ručno razraditi na komadu papira, a klasično računalo može relativno brzo testirati svaki mogući put. Ali šta ako n jednako 20? Pronalaženje najkraćeg puta kroz 20 gradova postaje računski mnogo teže i klasičnom računaru trebalo bi eksponencijalno duže da nađe odgovor.

Pokušajte pronaći najkraći put između 500 gradova, a klasičnom računaru trebalo bi duže od čitavog životnog vijeka Svemira da pronađe najkraći put, jer je jedini način da potvrdimo da smo pronašli najkraći put provjera svake pojedine permutacije gradova . Neki algoritmi postoje pomoću dinamičkog računanja koje teoretski može smanjiti broj potrebnih provjera (a stvarni problem Hamiltonove staze ne zahtijeva provjeru svakog čvora u grafu), ali to bi moglo obrijati nekoliko miliona godina s vrha; problem će i dalje biti sve samo računski nemoguć na klasičnom računaru.

Kako DNK računarstvo rješava ovaj problem

Ono što je Adleman uspio pokazati [PDF] jest da se DNK može sastaviti na takav način da se epruveta puna DNK blokova može sastaviti da istovremeno kodira sve moguće staze u problemu trgovca.

U DNK genetsko kodiranje predstavljaju četiri različita molekula, koja se nazivaju A, T, C i G. Ova četiri "bita", kada su povezani lancima, mogu sadržavati nevjerovatnu količinu podataka. Napokon, ljudski genom je kodiran u nešto što se može spakirati u jednu jezgru ćelije.

Miješajući ove četiri molekule u epruvetu, molekuli su se prirodno okupili u lancima DNK. Ako neka kombinacija ovih molekula predstavlja grad i putanju leta, svaki lanac DNK mogao bi predstavljati različitu putanju leta za prodavca, a sve se odjednom izračunava u sintezi paralelno okupljenih lanaca DNK.

Tada bi se jednostavno radilo o filtriranju dužih staza dok vam ne ostane samo najkraći put. U svom radu pokazao je kako se to može učiniti sa 7 gradova i rješenje problema će se kodirati čim se sintetiziraju lanci DNK.

Razlog ovog uzbuđenja bio je taj što su DNA strukture jeftine, relativno jednostavne za proizvodnju i skalabilne. Ne postoji ograničenje snage koju računarstvo DNA može teoretski imati, jer se njegova snaga povećava što više molekula dodate u jednadžbu, a za razliku od silicijskih tranzistora koji mogu izvoditi jednu logičku operaciju odjednom, ove DNK strukture teoretski mogu izvršiti onoliko računanja na vrijeme po potrebi za rješavanje problema i sve odjednom.

Međutim, problem je brzina. Iako su bili potrebni trenuci da se Adlemanovo rješenje problema putničkog trgovca kodira u njegove DNK lance u epruveti, trebalo je dana filtriranja loših rješenja da bi pronašao optimalno rješenje koje je tražio -poslije pedantna priprema za ovo jedno računanje.

Ipak, koncept je bio solidan i potencijal za nevjerovatne dobitke u kapacitetu za pohranu i računskim brzinama bio je očit. Ovo je započelo dve decenije istraživanja kako stvoriti praktičnu DNK računanju stvarnosti.

Koje su prednosti računanja DNK?

Kao što je pokazano s Adlemanovim radom, glavna prednost računanja DNK u odnosu na klasično računanje - pa čak i kvantno računanje - je u tome što paralelno može izvoditi bezbrojne proračune. Ova ideja paralelnog računanja nije nova i oponaša se u klasičnom računanju već desetljećima.

Kada istodobno pokrenete dvije aplikacije na računaru, one se zapravo ne rade istovremeno; u bilo kojem trenutku se provodi samo jedno uputstvo. Dakle, ako slušate muziku i kupujete putem Interneta putem pregledača, računar zapravo koristi nešto što se naziva prebacivanje konteksta da bi se pokazalo istovremeno.

Pokreće instrukciju za jedan program, sprema stanje tog programa nakon izvršene instrukcije i uklanja program iz aktivne memorije. Zatim učitava prethodno spremljeno stanje drugog programa, izvodi svoju sljedeću uputu, sprema novo stanje i zatim ga istovara iz aktivne memorije. Zatim ponovno učita prvi program da izvrši svoje sljedeće upute i tako dalje.

Čineći milione inkrementalnih koraka u sekundi u različitim programima, postiže se pojava istovremenosti, ali zapravo se nikada ništa ne radi paralelno. DNK računarstvo zapravo može istovremeno izvesti ove milione operacija.

Preko 10 bilijuna molekula DNK može se iscijediti u jedan kubni centimetar. Ovaj kubni centimetar materijala mogao bi teoretski odjednom izvršiti 10 bilijuna proračuna i zadržati čak 10 terabajta podataka. Na mnogo načina, puno daha, ali neprecizne štampe koju dobija kvantno računanje je zapravo moguće sa računanjem DNK.

DNK računarstvo se tada najbolje smatra komplementom kvantnog računanja, tako da kada se upare zajedno i pokreću klasični računari koji djeluju kao menadžer u Singleton stilu, vrste dramatičnog povećanja računske snage koju se ljudi nadaju vidjeti u budućnosti zapravo postaju realno mogući.

Koliko će trebati da stignu DNK računari

Došli smo dug put od 1994. Ubrzo nakon što je Adleman objavio svoj rad, istraživači su uspjeli konstruirati logičke kapije iz DNK - dijelove kola izgrađenog od pojedinačnih tranzistora koji mogu iz električne struje izgraditi komplicirane istinito-lažne logičke jednadžbe .

Upravo ovog mjeseca, informatičari sa Kalifornijskog univerziteta u Davisu i Caltechu sintetizirali su molekule DNK koji se mogu sami sastaviti u strukture u osnovi izvodeći vlastiti program pomoću šestobitnih ulaza.

Microsoft čak ima programski jezik za DNK računarstvo koji može pomoći da DNK računarstvo bude praktično kada tehnologija bioprocesora napreduje do te mjere da može pokretati sofisticiranije algoritme. Zapravo, Microsoft planira da uvede računanje DNK u svoje usluge u oblaku do 2020. godine i aktivno razvija skladište podataka o DNK kako bi se integrirao u svoje usluge u oblaku.

Vjerovatno je da će se ovaj napredak ostvariti mnogo brže od napretka u kvantnom računanju. Kvantno računanje zahtijeva sofisticirane strojeve, supravodiče i izuzetno hladne uvjete kako bi kubiti bili dovoljno stabilni za obavljanje bilo kakvih stvarno korisnih računskih zadataka, a ako ne razvijemo materijal koji može djelovati kao supravodič na sobnoj temperaturi, neće se probiti u naše računare u skorije vrijeme.

U međuvremenu, računanje DNK koristi DNK s kojim smo postali eksperti u manipulaciji do te mjere da zamjenjuje jedan gen DNK lanca putem CRISPR-a. Materijali potrebni za sintezu molekula DNK su jeftini i lako dostupni te ostaju stabilni na sobnoj temperaturi i šire. Šta je DNK računarstvo potencijalno u stanju da postigne s obzirom na elastičnost DNK i biološki paralelizam predstavlja bitan korak ka budućnosti računanja.


Pogledajte video: Don Tapscott: Four principles for the open world (Oktobar 2021).