پژوهشگران ایرلندی از نسل جدیدی از سامانههای محاسباتی رونمایی کردهاند که در آن خبری از ترانزیستور، پردازنده سیلیکونی و مصرف مداوم برق نیست. کامپیوتری ساخته شده از مولکولهای DNA که در یک لوله آزمایش، تنها با هدایت برهمکنشهای شیمیایی، عملیاتهای ریاضی را به سرانجام میرساند. دستاوردی که به گفته تیم سازنده، میتواند نگاه ما به مفهوم «کامپیوتر» را از پایه دگرگون کند.
کامپیوتری از جنس مولکول
این سامانه نوآورانه در دانشگاه مینوت (Maynooth University) ایرلند توسعه یافته و نتایج آن بهتازگی در نشریه معتبر نیچر منتشر شده است. برخلاف کامپیوترهای متعارف که بر مدارهای الکترونیکی و تراشههای سیلیکونی متکی هستند، این کامپیوتر زیستی از رشتههای کوتاه DNA متصل به یک داربست ژنتیکی بزرگتر تشکیل شده است.
کل مجموعه درون محلولی نمکی و داخل لوله آزمایش غوطهور است. محاسبه نه با عبور جریان الکتریکی، بلکه با گرم و سرد کردن کنترلشده محلول آغاز میشود؛ فرآیندی که باعث میشود رشتههای DNA بهصورت خودبهخودی با یکدیگر برهمکنش کنند، ساختارهای جدیدی بسازند و در نهایت، خودِ ساختار نهایی بهعنوان پاسخ مسئله عمل کند.
به بیان دیگر، در این معماری، سختافزار و نرمافزار در سطح مولکولی در هم ادغام شدهاند؛ مولکولها هم حامل داده هستند، هم عامل پردازش و هم نمایشگر خروجی.
ایدهای برای رهایی از سیلیکون پرمصرف
دیمین وودز، استاد مؤسسه همیلتون در دانشگاه مینوت و یکی از سرپرستان این پروژه، انگیزه اصلی پژوهش را بحران انرژی در زیرساختهای دیجیتال عنوان میکند. به گفته او، کامپیوترهای مبتنی بر سیلیکون به مصرفکنندگان بزرگ انرژی تبدیل شدهاند؛ تا جایی که حدود ۲۳ درصد از کل برق مصرفی کشور ایرلند صرف پردازش و ذخیرهسازی دادهها میشود.
وودز میگوید: «ما دچار محدودیت دید شدهایم و تصور میکنیم تنها یک نوع کامپیوتر وجود دارد؛ در حالی که نمونههای دیگری درست در اطراف ما هستند، از جمله مغز انسان. مولکولها با یکدیگر تعامل میکنند، ساختاری را شکل میدهند و همان ساختار، پاسخ نهایی است. نوآوری کلیدی ما این است که سیستم بهطور طبیعی و بدون نیاز به ورودی مداوم انرژی، خود به پاسخ میرسد.»
این ویژگی، تفاوت بنیادین کامپیوتر DNA با سامانههای الکترونیکی است. در حالی که پردازندههای معمول برای حفظ وضعیت محاسباتی به تغذیه پیوسته برق نیاز دارند، سامانه مولکولی پس از دریافت گرمای اولیه، مسیر خود را تا رسیدن به جواب بدون اتکا به منبع انرژی خارجی طی میکند.
یک قطره حاوی تریلیونها پردازنده
عبیر عشره، استادیار علوم کامپیوتر در مؤسسه همیلتون و عضو دیگر تیم تحقیق، مقیاس این فناوری را چنین توصیف میکند: «یک قطره کوچک از مایع حاوی میلیاردها و گاهی تریلیونها رشته DNA است. این رشتهها برای خلق نتیجه نهایی با یکدیگر برهمکنش دارند.»
هر رشته مانند یک قطعه پازل عمل میکند که تنها در صورت تطابق منطقی با قطعات دیگر به مجموعه متصل میشود. مجموعهای از قواعد مولکولی که در طراحی توالی DNA کدگذاری شده، تعیین میکند کدام اتصال مجاز است و کدام نیست. در نتیجه، مسیر حل مسئله از پیش در شیمی توالیها نهفته است و با تغییر دما، خودآرایی مولکولی به سمت پاسخ صحیح هدایت میشود.
این پروژه بخشی از طرح پژوهشی DISCO با بودجه ۴ میلیون یورویی و با حمایت شورای نوآوری اروپا (EIC) است؛ طرحی که هدف آن توسعه زیرساختهای محاسباتی مولکولی مقیاسپذیر و قابل برنامهریزی عنوان شده است.
سرعت؛ نقطه ضعف و در عین حال رکوردشکنی
آزمایشهای گزارششده نشان میدهد سامانه جدید قادر به انجام اعمالی چون جمع، ضرب و تقسیم است و حتی توانسته ۲۵ مسئله متوالی را بدون خطا حل کند؛ دستاوردی مهم برای اثبات پایداری و قابلیت تکرارپذیری محاسبات مولکولی.
با این حال، سرعت آن هنوز با دنیای سیلیکون فاصله زیادی دارد. یک جمع ساده مانند ۱۰ بهعلاوه ۳ حدود ۳۰ ثانیه زمان میبرد و محاسبات ۱۰۰ بیتی روی اعدادی در بازه ۱۱ تا ۳۴ میلیون، تا ۱۴ ساعت به طول میانجامد.
عبیر عشره در این باره تأکید میکند: «واکنش در لوله آزمایش سریع رخ میدهد، اما نه به سرعت سیلیکون؛ و قرار هم نبوده که چنین باشد. با این وجود، در مقایسه با سایر کامپیوترهای DNA که تاکنون ساخته شدهاند، نمونه ما سریعترین است.»
پژوهشگران معتقدند مقایسه مستقیم سرعت با پردازندههای امروزی گمراهکننده است. مزیت اصلی این فناوری نه در رقابت بر سر گیگاهرتز، بلکه در مصرف انرژی نزدیک به صفر، موازیسازی انبوه در مقیاس مولکولی و امکان کار در محیطهای زیستی است؛ جایی که تراشههای الکترونیکی اصولاً قابل استفاده نیستند، مانند درون بدن یا در سامانههای تشخیص زیستی.
علم بنیادین با آیندهای نامعلوم اما امیدوارکننده
تیم دانشگاه مینوت تأکید دارد که آنچه امروز ارائه شده یک نمونه آزمایشگاهی و اثبات مفهوم (Proof of Concept) است، نه محصولی آماده برای بازار. وودز میگوید: «این علم بنیادین است. نمیدانیم آینده ما را به کجا خواهد برد.»
با این حال، انتشار مقاله در نیچر و موفقیت در حل پیوسته مسائل، نشان میدهد پردازش مولکولی از مرحله خیالپردازی خارج شده و به مرحله مهندسی رسیده است. در بلندمدت، چنین سامانههایی میتوانند برای محاسبات فوقکممصرف، ذخیرهسازی داده در DNA، حسگرهای هوشمند زیستی و حتی پردازش اطلاعات در شرایط محیطی خاص به کار گرفته شوند؛ حوزههایی که در آنها انرژی، اندازه و سازگاری زیستی مهمتر از سرعت خام است.
اگر مسیر توسعه ادامه یابد، شاید در آیندهای نه چندان دور، بخشی از بار محاسباتی مراکز داده عظیم که امروز بخش بزرگی از برق کشورها را میبلعند، به قطراتی از محلول نمکی حاوی DNA سپرده شود؛ قطراتی که بیصدا، بدون فن و بدون نیاز به برق مداوم، به حل مسئله مشغولاند.
دیدگاهها (0)
هنوز دیدگاهی ثبت نشده است.