Учёные объединили синтетическую ДНК с полупроводником и получили мемристор
Устройство хранит и обрабатывает информацию в одном и том же месте
По данным команды, оно потребляет в 100 раз меньше энергии, чем флеш-накопители
Схема работает при напряжении менее 0,1 вольта и сохраняет стабильность при нагреве около 120 °C
Один грамм ДНК способен вместить порядка 215 млн гигабайт данных
Наша ДНК хранит поразительный объём информации. Один грамм вмещает около 215 миллионов гигабайт данных обо всём — от цвета глаз до формы стоп. Теперь учёные приспособили эту способность к хранению для создания энергоэффективного устройства памяти.
Источник изображения — popsci.com
Технология сочетает синтетическую ДНК и полупроводник, образуя мемристор — резистор с памятью. Он умеет хранить и обрабатывать информацию в одном и том же месте. По данным исследователей, устройство расходует в сто раз меньше энергии и вмещает больше данных, чем традиционные носители вроде флеш-накопителей. Описание разработки опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
«Биология и электроника — разные области, — отмечает соавтор исследования Кавья Кереман, материаловед из Университета штата Пенсильвания. — Чтобы навести между ними мост, потребовалось разработать совершенно новую материальную платформу, позволяющую им работать вместе без стыков. Соединив способность ДНК хранить информацию с исключительными электронными свойствами перовскитных полупроводников, мы создали биогибридную систему, которая принципиально меняет подход к проектированию маломощной памяти».
Что такое мемристор и чем он отличается от обычного резистора
У обычных резисторов сопротивление фиксировано: они одинаково реагируют на ток независимо от того, что происходило раньше, и забывают всё при отключении питания. Мемристор же меняет сопротивление в зависимости от истории протекавшего через него тока — то есть само его физическое состояние и есть записанные данные.
Эта способность одновременно хранить и обрабатывать информацию напоминает работу нейронов в мозге и потенциально позволяет вести вычисления параллельно и эффективнее. Но такой подход требует и много памяти, и много энергии — вот здесь в дело и вступают возможности ДНК.
Чтобы понять, почему это важно, стоит вспомнить главное узкое место современных компьютеров. В классической архитектуре память и вычислитель разнесены, и данные приходится постоянно гонять между ними — на эту пересылку уходит заметно больше энергии, чем на сами вычисления. Устройство, которое считает прямо там, где хранит, обходит это ограничение в принципе, а не оптимизирует его.
Как это сделали: серебро, ДНК и перовскит
Исследователи сначала спроектировали короткие фрагменты ДНК, которые можно точно расположить в нужном порядке на микроскопическом уровне. Затем в ДНК добавили наночастицы серебра — процесс, называемый легированием: он помогает молекуле проводить электричество. После этого легированную ДНК интегрировали в тонкие плёнки кристаллического перовскита — проводящего материала, который применяют в солнечных элементах и лазерах.
«Мы можем вычислительными методами определить, какие именно последовательности нам нужны и какой длины они должны быть, а затем осмысленно спроектировать их с помощью синтетической ДНК, — поясняет соавтор работы Нила Йеннавар. — Эти структуры можно систематически легировать серебром и другими ионами и проектировать так, чтобы они бесшовно соединялись с перовскитами, превращая ДНК из биологической макромолекулы в программируемую многофункциональную наноматериальную платформу».
Ключевое слово здесь — программируемая. Речь идёт не о ДНК, извлечённой из живых организмов, а о синтезированных под конкретную задачу цепочках: их состав и длину рассчитывают заранее, а нужные электрические свойства закладывают на этапе проектирования.
Результаты испытаний
Связка легированной серебром ДНК с перовскитом заработала при напряжении менее 0,1 вольта. Устройства также сохраняли стабильность при температурах около 120 °C и оставались работоспособными при комнатной температуре на протяжении нескольких недель. По оценке исследователей, эти показатели значительно превосходят возможности существующих устройств памяти на основе перовскитов.
За осторожными формулировками стоит читать реальный статус работы. Стабильность «в течение нескольких недель» — хороший результат для лабораторного образца, но несопоставимый с требованиями к носителю данных, от которого ждут сохранности информации годами. Устойчивость к 120 °C тоже говорит скорее о том, что материал переживает производственные процессы, чем о готовности к эксплуатации.
- Рабочее напряжение — менее 0,1 В против единиц вольт у флеш-памяти
- Энергопотребление — по заявлению команды, в 100 раз ниже
- Термостойкость — стабильность около 120 °C
- Срок хранения — несколько недель при комнатной температуре
Зачем это нужно и когда ждать результата
Технология может проложить дорогу к более производительным и энергоэффективным накопителям — что особенно важно на фоне растущего спроса со стороны систем искусственного интеллекта. Дальше команда планирует продолжить работу над своим подходом и поискать другие электронные применения, вдохновлённые биологией.
«У природы есть решение — нам нужно лишь найти его и применить, — говорит соавтор исследования, материаловед Бед Поудел. — Эта работа по встраиванию ДНК в электронику даёт представление о том, что вообще возможно».
Трезвая оценка перспектив выглядит так: до устройства, которое можно купить, здесь очень далеко. Мемристоры как класс исследуют больше пятнадцати лет, и ни одна из технологий этого семейства пока не потеснила флеш-память на массовом рынке — упираются обычно в надёжность при миллионах циклов перезаписи и в стоимость серийного производства. Биогибридная схема добавляет к этому списку ещё и вопросы к долговечности органического компонента.
Тем не менее направление выбрано не случайно. Энергопотребление стало главным ограничителем в отрасли: дата-центры упираются в мощности энергосетей раньше, чем в возможности процессоров. Любая технология, обещающая стократное снижение расхода энергии на операцию с памятью, автоматически попадает в поле зрения — даже если до практического применения ей ещё десятилетие.
