Вычисления сегодня — крайне энергоёмкий ресурс. По прогнозам, к 2050 году на обработку данных будет уходить до 20 % электроэнергии, потребляемой коммерческим сектором США, а одни только дата-центры удвоят спрос на электричество уже в ближайшие годы. Это делает поиск более эффективных вычислительных систем приоритетной задачей.
Каркасы из ДНК могут стать новым способом запускать компьютеры при низком энергопотреблении.
Собственный организм человека кажется странным местом для поиска решения, но у природы были миллиарды лет, чтобы научиться делать многое при минимуме затрат. Именно поэтому исследователи из Университета Мейнута в Ирландии обратились к самой химии жизни и создали компьютер нового типа, работающий без постоянного притока электричества.
«Кремниевые компьютеры потребляют так много энергии — на вычисления и хранение данных уходит 23 % всего электричества Ирландии, — отмечает специалист по информатике и старший автор работы Дэмиен Вудс. — Мы зациклились на одном-единственном типе компьютеров, хотя вокруг есть и другие примеры, включая наш собственный мозг».
Практически все современные компьютеры полагаются на переключатели-транзисторы, которые кодируют данные состояниями «включено» и «выключено». Управление этими состояниями даже для простейших вычислений требует крошечного электрического заряда, и, каким бы малым он ни был, он быстро накапливается: бесчисленные транзисторы переключаются миллиарды раз в секунду.
Четыре химических «буквы», из которых состоят цепочки ДНК, тоже кодируют информацию и могут служить основой для алгоритмических вычислений. Только вместо переключателей роль вычислений здесь играет своеобразное соревнование между различными последовательностями.
Сама идея вычислений на ДНК не нова. Ещё в 1990-х годах информатик Леонард Адлеман из Университета Южной Калифорнии решил знаменитую задачу коммивояжёра с помощью одних лишь цепочек нуклеотидов и биохимии. С тех пор учёные находят всё новые способы программировать такие «химические рецепты» под самые разные вычислительные задачи.
Одна из нерешённых проблем — создать ДНК-компьютер, который был бы энергетически выгодным, стабильным и надёжным и не требовал бы постоянного вмешательства и «подпитки» для получения результата.
Команда Вудса выбрала иной подход, ближе к развивающейся науке о ДНК-оригами, чем к прежнему соревнованию простых цепочек. Метод объединяет нуклеиновый «каркас» с короткими фрагментами ДНК в тёплом солевом растворе. По мере остывания смеси формируется конфигурация с наименьшей энергией — она и служит ответом на поставленную задачу.
«Молекулы взаимодействуют, образуют структуру, и эта структура и есть ответ, — поясняет Вудс. — Ключевое новшество в том, что система находит ответ естественным образом, без непрерывной подачи энергии».
Чтобы проверить метод, исследователи запустили несколько разных программ, часть из которых выполняла вычисления размером до 100 бит. Одно из самых быстрых вычислений — сложение чисел 3 и 10 — всё равно заняло около 30 секунд, то есть медленнее, чем справился бы школьник у доски. Но дело не в этом: ДНК-вычисления идут параллельно, вмещая огромное число операций в одну-единственную каплю раствора.
«Реакция в пробирке идёт быстро, хотя и не так быстро, как в кремнии, — да это и не было целью. Но по сравнению с другими ДНК-компьютерами наш самый быстрый», — говорит один из ведущих авторов исследования Абир Эшра.
Помимо вычислений, ДНК обладает выдающейся способностью надёжно хранить колоссальные объёмы данных. Всего один грамм теоретически вмещает сотни миллионов гигабайт — этого достаточно, чтобы уместить накопленную за год «библиотеку» мировых данных буквально в гараже, да ещё и с запасом.
В сочетании с малозатратными способами записи и считывания такой информации и термодинамически выгодными методами специализированных вычислений будущее компьютеров начинает выглядеть приятно «холодным и влажным». Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
