به گزارش ایران نت، پژوهشگران دانشگاه مینوت در ایرلند موفق به توسعه نوعی کامپیوتر DNA شدهاند که بدون استفاده از تراشههای سیلیکونی و با تکیه بر برهمکنش مولکولها میتواند محاسبات ریاضی را انجام دهد. این فناوری که در قالب یک سامانه آزمایشگاهی ساخته شده، نشان میدهد رایانش در آینده لزوماً محدود به مدارهای الکترونیکی و پردازندههای مبتنی بر سیلیکون نخواهد بود.
سامانه جدید از رشتههای DNA تشکیل شده است که درون یک محلول قرار دارند و با کنترل شرایط محیطی، از جمله تغییر دما، میتوان بر نحوه تعامل این مولکولها تأثیر گذاشت. نتیجه برهمکنش میان رشتههای DNA بهعنوان پاسخ محاسباتی سیستم در نظر گرفته میشود. چنین رویکردی میتواند مسیر تازهای را برای توسعه رایانش مولکولی و کامپیوترهای کممصرف باز کند؛ هرچند فناوری فعلی هنوز از نظر سرعت با رایانههای معمولی قابل مقایسه نیست.
کامپیوتر DNA چگونه محاسبه انجام میدهد؟
در رایانههای امروزی، اطلاعات با استفاده از جریانهای الکتریکی، ترانزیستورها و مدارهای منطقی پردازش میشوند. در مقابل، کامپیوتر DNA از رفتار خود مولکولها برای انجام عملیات محاسباتی استفاده میکند. در این روش، رشتههای کوتاه DNA با یک ساختار بزرگتر ژنتیکی تعامل دارند و مجموعهای از واکنشهای مولکولی در محلول شکل میگیرد.
پژوهشگران با طراحی دقیق رشتههای DNA میتوانند شرایطی ایجاد کنند که برهمکنش میان آنها به یک عملیات ریاضی مشخص منجر شود. تغییر دمای محلول نیز به هدایت این تعاملات کمک میکند. بنابراین بهجای آنکه یک پردازنده الکترونیکی مرحلهبهمرحله دستورها را اجرا کند، بخشی از محاسبه از طریق رفتار همزمان تعداد بسیار زیادی مولکول انجام میشود.
این ویژگی یکی از جذابترین جنبههای رایانش DNA است. در یک حجم بسیار کوچک از مایع میتوان تعداد عظیمی از مولکولها را در کنار یکدیگر قرار داد و از تعامل آنها برای پردازش اطلاعات استفاده کرد. به همین دلیل، محاسبات مولکولی از مدتها قبل بهعنوان یکی از مسیرهای تحقیقاتی جالب در علوم کامپیوتر و زیستفناوری مطرح بوده است.
چرا محاسبات با DNA به انرژی کمتری نیاز دارد؟
یکی از مهمترین انگیزههای پژوهشگران برای بررسی کامپیوترهای DNA، تفاوت اساسی آنها با سیستمهای محاسباتی سنتی در نحوه مصرف انرژی است. پردازندههای سیلیکونی برای انجام محاسبات به تأمین مداوم انرژی نیاز دارند و مراکز داده نیز برای پردازش و ذخیره حجم عظیم اطلاعات، انرژی قابلتوجهی مصرف میکنند.
در سامانه مورد بررسی دانشگاه مینوت، واکنشهای مولکولی میتوانند پس از فراهم شدن شرایط مناسب بهصورت طبیعی ادامه پیدا کنند. به بیان ساده، سیستم برای هر مرحله از یافتن پاسخ الزاماً به جریان دائمی برق مشابه یک پردازنده الکترونیکی نیاز ندارد.
دیمین وودز، استاد مؤسسه همیلتون دانشگاه مینوت، در توضیح ایده این پروژه به تفاوت میان محاسبات سیلیکونی و الگوهای پردازش موجود در طبیعت اشاره کرده است. از دیدگاه پژوهشگران، مغز انسان و بسیاری از سامانههای زیستی نمونههایی هستند که نشان میدهند پردازش اطلاعات میتواند خارج از معماری رایج رایانههای امروزی نیز انجام شود.
یک قطره مایع میتواند حاوی حجم عظیمی از DNA باشد
یکی از نکات جالب درباره این فناوری، مقیاس بسیار کوچک محیط محاسباتی آن است. به گفته عبیر عشره، استادیار و دانشمند علوم کامپیوتر در مؤسسه همیلتون، یک قطره کوچک از مایع مورد استفاده در آزمایش میتواند حاوی میلیاردها و حتی تریلیونها رشته DNA باشد.
این تعداد بسیار زیاد مولکول، ظرفیت بالقوهای برای پردازش موازی ایجاد میکند. در رایانههای معمولی، محاسبات توسط مجموعهای از ترانزیستورها و واحدهای پردازشی انجام میشود؛ اما در رایانش DNA، تعداد زیادی مولکول میتوانند بهطور همزمان با یکدیگر برهمکنش داشته باشند.
البته تعداد زیاد مولکولها بهتنهایی به معنای سریعتر بودن کامپیوتر DNA نیست. سرعت واکنشهای شیمیایی و زیستی، نحوه آمادهسازی نمونه، خواندن نتیجه و کنترل شرایط آزمایشگاهی همچنان محدودیتهای مهم این فناوری محسوب میشوند.
کامپیوتر DNA فعلاً بسیار کندتر از تراشههای سیلیکونی است
یکی از نکات مهم درباره این دستاورد، تفاوت میان ظرفیت بالقوه رایانش مولکولی و عملکرد فعلی نمونه آزمایشگاهی است. پژوهشگران در آزمایشهای خود نشان دادند که انجام یک عملیات جمع ساده مانند ۱۰ بهعلاوه ۳ حدود ۳۰ ثانیه زمان میبرد.
این زمان در مقایسه با سرعت پردازندههای مدرن بسیار زیاد است. حتی گوشیهای هوشمند و رایانههای معمولی میتوانند چنین محاسبهای را تقریباً بدون تأخیر قابلتشخیص انجام دهند. بنابراین هدف اصلی این پروژه ساخت جایگزینی فوری برای پردازندههای رایج نیست.
محاسبات بزرگتر میتوانند ساعتها طول بکشند
محدودیت سرعت در مسائل پیچیدهتر بیشتر دیده میشود. بر اساس نتایج آزمایش، انجام محاسبات ۱۰۰ بیتی روی اعدادی در محدوده حدود ۱۱ تا ۳۴ میلیون میتواند تا ۱۴ ساعت زمان ببرد.
با وجود این محدودیت، پژوهشگران توانستهاند ۲۵ مسئله متوالی را با موفقیت حل کنند. این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که نشان میدهد سامانه فقط یک نمایش مفهومی ساده نیست و میتواند مجموعهای از عملیات محاسباتی را در یک فرایند واقعی انجام دهد.
عبیر عشره توضیح داده است که واکنشها درون لوله آزمایش میتوانند نسبتاً سریع اتفاق بیفتند، اما سرعت آنها با پردازش سیلیکونی قابل مقایسه نیست. با این حال، تیم تحقیقاتی اعلام کرده که نمونه توسعهیافته در مقایسه با سایر نمونههای کامپیوتر DNA، عملکرد سریعی دارد.
این پروژه بخشی از یک برنامه پژوهشی چند میلیون یورویی است
توسعه این سامانه در چارچوب پروژهای با نام DISCO انجام شده است؛ پروژهای که با سرمایهگذاری ۴ میلیون یورویی و پشتیبانی شورای نوآوری اروپا دنبال میشود. هدف چنین برنامههایی بررسی معماریهای محاسباتی جدید و یافتن راههایی برای عبور از برخی محدودیتهای سیستمهای الکترونیکی متداول است.
رایانش مولکولی تنها یکی از مسیرهایی است که پژوهشگران برای آینده محاسبات بررسی میکنند. در سالهای اخیر، حوزههایی مانند محاسبات کوانتومی، نورومورفیک و زیستی نیز با هدف یافتن روشهای متفاوت برای پردازش اطلاعات مورد توجه قرار گرفتهاند.
تفاوت کامپیوتر DNA با رایانههای معمولی چیست؟
- نوع پردازش: رایانههای معمولی از مدارهای الکترونیکی استفاده میکنند، اما کامپیوتر DNA از واکنش و برهمکنش مولکولی بهره میبرد.
- مصرف انرژی: سیستم DNA برای ادامه واکنش محاسباتی به شکل یک پردازنده معمولی به جریان مداوم برق وابسته نیست.
- مقیاس: مقدار بسیار کمی از محلول میتواند حاوی تعداد فوقالعاده زیادی مولکول باشد.
- سرعت: نمونه فعلی در مقایسه با تراشههای سیلیکونی بسیار کندتر است.
- مرحله توسعه: فناوری هنوز در مرحله پژوهشی و آزمایشگاهی قرار دارد و برای استفاده عمومی یا جایگزینی رایانههای شخصی آماده نیست.
آیا کامپیوترهای DNA میتوانند جایگزین تراشههای سیلیکونی شوند؟
در شرایط فعلی نمیتوان چنین نتیجهای گرفت. تراشههای سیلیکونی پس از دههها توسعه به سطح بسیار بالایی از سرعت، قابلیت اطمینان و مقیاس تولید رسیدهاند. در مقابل، کامپیوتر DNA هنوز با چالشهایی مانند سرعت پردازش، آمادهسازی نمونه، کنترل واکنشهای مولکولی و روشهای خواندن خروجی مواجه است.
با این حال، ارزش چنین پژوهشی لزوماً در جایگزین کردن پردازنده لپتاپ یا گوشی هوشمند خلاصه نمیشود. ممکن است رایانش مولکولی در آینده برای دستهای خاص از مسائل که با پردازش موازی تعداد بسیار زیادی مولکول سازگار هستند، کاربرد پیدا کند.
یکی از حوزههای بالقوه، حل مسائل محاسباتی خاص در محیطهای بسیار کوچک است. همچنین ترکیب محاسبات DNA با زیستشناسی مصنوعی میتواند در آینده فرصتهایی برای ساخت سامانههایی ایجاد کند که نهتنها اطلاعات را پردازش میکنند، بلکه در محیط زیستی نیز واکنش نشان میدهند.
مزیت اصلی این فناوری در کجا میتواند ظاهر شود؟
اگر پژوهشگران بتوانند سرعت و قابلیت اطمینان سیستمهای DNA را افزایش دهند، یکی از مزایای مهم آن میتواند امکان پردازش اطلاعات با استفاده از حجم بسیار کوچکی از ماده باشد. این موضوع برای کاربردهای خاصی که محدودیت انرژی یا اندازه اهمیت زیادی دارد، جذاب خواهد بود.
از طرف دیگر، طبیعت غیرالکترونیکی این سیستم میتواند آن را به گزینهای متفاوت برای برخی محیطهای تخصصی تبدیل کند. با این حال، رسیدن از یک نمونه آزمایشگاهی به یک محصول تجاری به پیشرفتهای زیادی در زمینه طراحی مولکولی، کنترل واکنشها و خواندن نتایج نیاز دارد.
آینده رایانش مولکولی هنوز مشخص نیست
دیمین وودز درباره این پروژه تأکید کرده است که این پژوهش در درجه نخست یک علم بنیادی محسوب میشود و هنوز مشخص نیست چنین فناوریای در آینده دقیقاً به چه کاربردهایی منتهی خواهد شد. همین موضوع، شاید مهمترین نکته درباره کامپیوتر DNA باشد: پژوهشگران هنوز در حال بررسی این هستند که محاسبات مبتنی بر مولکولها چه مسائلی را میتوانند به شکل متفاوتی حل کنند.
دستاورد دانشگاه مینوت نشان میدهد مفهوم «کامپیوتر» میتواند فراتر از پردازنده، ترانزیستور و جریان الکتریکی تعریف شود. در این معماری، رشتههای DNA و واکنشهای مولکولی نقش واحدهای پردازشی را ایفا میکنند و پاسخ نهایی از نتیجه تعامل آنها به دست میآید.
در نتیجه، اگرچه کامپیوتر DNA فعلاً از نظر سرعت نمیتواند با تراشههای مدرن رقابت کند، این فناوری پنجرهای به سوی نوع دیگری از رایانش باز میکند؛ نوعی که بهجای اتکا به میلیاردها ترانزیستور، از قوانین شیمی و زیستشناسی برای پردازش اطلاعات استفاده میکند. شاید هنوز فاصله زیادی تا کاربرد روزمره چنین رایانههایی وجود داشته باشد، اما همین آزمایشها میتوانند پایهای برای نسلهای آینده رایانش مولکولی باشند.
برای اطلاعات بیشتر درباره تازهترین دستاوردهای فناوری و علوم، به ایران نت مراجعه کنید.
“`
