Вченим з Південної Кореї вдалося створити прототип першого в світі пристрою на основі молекул ДНК, придатний для обчислень булевої логіки. На думку розробників, створена ними технологія в перспективі дозволить випускати ДНК-процесори для складних обчислень і стане економічною заміною традиційної кремнієвої логіки.
ДНК-логіка
Група вчених з Національного університету в Інчхоні (INU), Південна Корея, оголосила про розробку першої в світі технології виконання класичних обчислень на базі молекул ДНК. Свій винахід дослідники назвали «Мікрорідинний процесор» (Microfluidic Processing Unit, MPU).
Розробка південнокорейських вчених вперше описана в статті Programmable DNA-Based Boolean Logic Microfluidic Processing Unit («програмується мікрорідинний процесор для роботи з двійковою логікою на основі ДНК), яка була опублікована в останньому випуску наукового журналу ACS Nano, що випускається Американським хімічним товариством (American Chemical Society ). У ній докладно описаний лабораторний прототип MPU, який виконаний в компактному форм-факторі, включає елементи обробки ДНК для виконання ряду основних операцій двійкової (булевої) логіки, і може бути запрограмований з звичайного ПК або смартфона.
За словами вчених, вже перший прототип MPU зміг виконувати ключові операції AND, OR, XOR і NOT, робота з якими підтвердила можливість використання молекул ДНК не тільки для зберігання даних – як вважалося раніше, а й для повноцінних обчислень.
«Ми сподіваємося, що в майбутньому процесори на основі ДНК замінять традиційні електронні чіпи, оскільки вони споживають менше енергії, і це допоможе з глобальним потеплінням. Процесори на базі ДНК також дозволять створити платформи для складних обчислень – таких як завдання глибокого машинного навчання і математичного моделювання». – сказав керівник дослідження з INU д-р YOнджун Сонг (Dr. Youngjun Song).
Як зробити свій ДНК-процесор
Раніше використання молекул ДНК для обчислювальних потреб обговорювалося в науковому середовищі переважно в ключі використання таких рішень для зберігання інформації. Молекули ДНК дійсно підходять для рішень, здатних зберігати величезні обсяги даних, однак мінусом такої технології є надзвичайно низька швидкість читання і запису – до однієї секунди на запис однієї бази даних середніх розмірів в сховище на основі ДНК.
Вчені планують створити ДНК-процесор з алгоритмами управління на ДНК і СГД на базі ДНК
Проблема в першу чергу пов’язана з принципом зберігання даних в ДНК, який вимагає іншого підходу до обробки інформації. На думку вчених, природним рішенням проблеми став би процесор на молекулах ДНК з аналогічним принципом форматування даних. Саме в пошуках вирішення цього питання працювали південнокорейські вчені.
Як пояснили в своїй статті дослідники, використання закодованих інформацією ланцюжків дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) в якості матеріалу для молекулярних обчислень забезпечує логічний обчислювальний процес за рахунок каскадних і паралельних ланцюгових реакцій, однак реакції при обчисленнях на основі комбінаційної логіки в основному досягаються за допомогою ручного процесу шляхом додавання бажаних молекул ДНК в одну мікропробірку (субстрат).
Як показало дослідження, використання мікрорідинних мікросхем на основі ДНК для операцій булевої логіки (логіка «істинно / хибно», де порівнюються вхідні дані і повертається значення «істина» або «брехня» в залежності від типу операції або використовуваного «логічного елемента» – прим. GSMinfo) може забезпечити автоматизовану роботу, програмоване управління і безшовну комбінаційну роботу логіки за аналогією з електронним мікропроцесором.
Для виготовлення мікрорідинного молекулярного ДНК-чіпа, здатного виконувати булеву логіку, команда вчених використовувала систему 3D-друку з використанням методів двостороннього формування. Логічний вентиль в лабораторному експерименті складався з одноланцюгової ДНК-матриці, а в якості вхідних даних використовувалися різні одноланцюгові ДНК.
Коли частина вхідний ДНК мала послідовність Уотсона-Кріка, комплементарної матричної ДНК, вона спаровувалася і утворювала дволанцюгову ДНК, при цьому результат вважався істинним або хибним залежно від розміру остаточної ДНК.
Управління прототипом ДНК-процесора здійснювалося незвичайним способом – за допомогою системи клапанів з електроприводом, яка виконує серію реакцій для швидкого і зручного виконання комбінації логічних операцій. Цю систему клапанів можна програмувати за допомогою ПК або смартфона.
Сукупність ДНК-чіпа і керуючого ПЗ в результаті і була названа «мікрорідинним процесором» (MPU).
Подальші перспективи проекту
На думку авторів проекту, розроблена ними система клапанів для програмованого MPU на основі ДНК відкриває шлях до створення більш складних систем з каскадами реакціями, які зможуть кодувати розширений список функції.
«Майбутні дослідження будуть зосереджені на створенні обчислювальних рішень повністю на основі ДНК з алгоритмами ДНК і системами зберігання ДНК», – говорить д-р Сонг.
Поки що для управління чіпом необхідна зовнішня система, однак вчені вважають, що в перспективі вдасться сформувати MPU булевої логіки на основі ДНК, який можна буде програмувати за допомогою спеціальної мови програмування. Такі системи, на думку розробників, зможуть знайти широке поширення в більш складних функціональних рішеннях – таких як модулі арифметичних обчислень або нейроморфні схеми.
