Вперед, за прогрессом! Компьютеры будущего. Часть 4
Вперед, за прогрессом! Компьютеры будущего. Часть 4
Зачем нам нужны все эти новые технологии? Зачем лезть в дебри, изобретать что-то совершенно новое, тратить огромные деньги на новые исследования? Повторюсь еще раз. Специалисты уже давно предупреждают о скором достижении предела возможностей полупроводниковой технологии производства вычислительной техники. Уменьшение элементов интегральных микросхем уже до 80-120 нм влечет за собой появление следующих серьезных проблем:
— концентрация легирующих примесей уже не будет одинаковой во всем объеме полупроводникового кристалла;
— резко увеличится вероятность туннельной утечки электронов между соседними элементами, что чревато замыканием всей интегральной микросхемы.
Все это обусловлено физической природой полупроводников. И никуда от этого не деться. А как следствие возникновения этих проблем будет возрастать доля дефектных чипов, уменьшится долговечность их использования, увеличится себестоимость полупроводниковой вычислительной техники. Незавидное будущее? Конечно. Вот поэтому ученые ведущих мировых исследовательских центров и институтов ищут новые принципы организации вычислительной техники, которая будет более эффективной. Порой свежие идеи бывают настолько новы, что кажутся буквально фантастическими. Одной из ветвей дальнейшего развития вычислительной техники может стать создание биологических компьютеров.
В основе их создания лежит прежде всего опыт биохимии, а также биологии, физики, генетики и информатики. Основной принцип создания биокомпьютеров — использование реальных биологических процессов для создания искусственных вычислительных схем. На настоящий момент существует несколько принципиально различных типов биокомпьютеров, использующих различные биологические процессы:
1) искусственные нейронные сети;
2) основанные на эволюционном программировании;
3) использующие генные алгоритмы;
4) ДНК-компьютеры;
5) клеточные компьютеры.
Первые два направления появились еще в начале 40-х годов! Но, к сожалению, до сих пор не привели к созданию чего-то реально работающего. Последние три направления основаны на принципах генной инженерии и гораздо более перспективны. Но направления эти еще довольно молоды (всего около 10 лет). Работы по ним ведутся в следующих лабораториях:
1. Массачусетский технологический институт.
2. Лаборатория Беркли.
3. Лаборатория Рокфеллера (неспроста знаменитый миллиардер, известный своим чутьем на выгодные проекты, заинтересовался этой областью).
4. Техасский университет.
ДНК-компьютер считается самым перспективным и наиболее популярен у разработчиков. Почему? Судите сами:
— плотность хранения информации в ДНК составляет 1 бит/нм2. Это в триллион выше, чем у видеопленки!
— ДНК может параллельно выполнять до 1020 операций в секунду. Это сравнимо разве что со скоростью современных терафлоповых суперкомпьютеров!
В качестве памяти в биокомпьютерах могут использоваться следующие биологически активные молекулы:
1) молекулы ДНК;
2) молекулы батериородопсина.
Батериородопсин обладает замечательными голографическими свойствами и способен выдерживать довольно высокие температуры. Кстати, на его основе уже создан вариант трехмерного запоминающего устройства.
Каков же принцип функционирования ДНК-компьютеров?
ДНК — это полимер, состоящий из нуклеотидов (комбинации сахара, фосфата и азотистого основания A-, T-, G- или C-типа — вдаваться в тонкости их химических обозначений мы не будем). Известно, что молекула ДНК состоит из двух спиралей, скрепленных водородными связями. Принципиальным является то, что основание A может образовывать водородные связи только с основанием T, а основание G — только с основанием C. Вот этот принцип и пытаются использовать в конструировании вычислительной техники. Элементарная ячейка памяти образуется тремя нуклеотидами, соединенными в любой последовательности. Называется она кодон. Затем из кодонов формируется цепь ДНК.
Главная трудность в разработке ДНК-компьютеров связана с проведением избирательных однокодонных взаимодействий внутри цепи ДНК.
Однако и в этом направлении уже есть прогресс. На настоящий день уже существует оборудование, позволяющее работать с одним из 1020 кодонов молекулы ДНК. Существует и еще одна проблема — самосборка ДНК-компьютера, приводящая к потере информации. Чтобы ее преодолеть, в ДНК вводят специальные ингибиторы (вещества, предотвращающие химическую реакцию самосшивки). Создание ДНК-компьютера будет осуществляться методами генной инженерии, размерные возможности которой гораздо выше литографических.
Зачем же нужны биокомпьютеры? С их помощью можно будет решать следующие задачи:
— осуществление цифрового контроля над процессами, протекающими в человеческом организме;
— выполнение простейших математических операций.
Биокомпьютеры существуют не только в проектах и схемах. На сегодняшний день уже есть реальные разработки. Приведу примеры некоторых из них:
1. Ученым из университета г. Висконсия (США) удалось провести вычислительную реакцию на молекулах ДНК, химически закрепленных на инертной гладкой поверхности подложки из золота. Передача сигналов между молекулами ДНК осуществлялась с помощью тепловой энергии и химических веществ.
2. Тим Гарднер из Бостона на примере бактерий кишечной палочки сконструировал цифровой преобразователь биохимических сигналов. Длительность работы устройства составила 20 часов.
3. Майкл Еловиц из Рокфеллеровского центра научных исследований собрал ДНК-цепочку, способную воспроизводить с определенной частотой одну и ту же биохимическую реакцию (вариант биологических часов).
4. Леонард Эдлмен из Университета Южной Калифорнии сумел решить задачу гамильтонова пути. Нужно было найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами, в каждом из которых разрешается побывать только один раз. Схема пути представляет собой однонаправленный граф (с теорией графов можете ознакомиться в курсе дискретной математики). Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает экспоненциально. Каждый город Эдлмен идентифицировал уникальной последовательностью из 20 нуклеотидов. Тогда путь между любыми двумя городами будет состоять из второй половины кодирующей последовательности для точки старта и первой половины кодирующей последовательности для точки финиша (молекула ДНК, как и вектор, имеет направление). Синтезировать такие последовательности современная молекулярная аппаратура позволяет очень быстро. В итоге последовательность ДНК с решением составит 140 нуклеотидов (7ґ20). Нужно только синтезировать и выделить такую молекулу ДНК. Для этого в пробирку поместили около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, которыми кодировались города и пути между ними.
Далее за счет взаимного притяжения нуклеотидов А-Т и G-C отдельные цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Остается лишь выделить из них соответствующие искомому решению. Эдлмен решил эту задачу биохимическими методами, последовательно удалив сначала цепочки, которые не начинались с первого города — точки старта — и не заканчивались местом финиша, затем те, которые содержали более семи городов или не содержали хотя бы одного. Остававшаяся молекула ДНК и есть решение поставленной задачи.
5. Группа ведущего специалиста в области ДНК-компьютеров Тома Кнайта из Массачусетского технологического института, экспериментируя с ДНК-связанными протеинами, создала биологический цифровой инвертор. Если в биосистему ввести протеин, то на выходе из нее получим протеин Б, и наоборот.
И напоследок немного затронем тему бактериальных компьютеров. Это также перспективное направление замены полупроводниковых компьютеров. Бактериальные компьютеры представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных микроорганизмов". Один из плюсов такого вида вычислительной техники — ожидаемая дешевизна их производства. Бактериальным компьютерам не нужна будет настолько стерильная производственная среда, как в случае полупроводниковых компьютеров. И однажды запрограммировав клетку можно вырастить миллион таких же клеток с такой же программой.
Можно также упомянуть, что бактериальные компьютеры:
— объединяют информационные технологии и биотехнологии;
— смогут управлять химическими заводами;
— смогут регулировать биологические процессы внутри человеческого организма (например, вырабатывать инсулин);
— смогут перевести вычисления на химическую основу.
Но и при создании бактериальных компьютеров разработчики сталкиваются с рядом проблем.
Прежде всего, это организация всех клеток в одну растущую систему. Сегодня практические результаты в области бактериальных компьютеров напоминают достижения 30-40-х годов в области ламповых и полупроводниковых компьютеров. Сейчас в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института создана клетка, способная хранить 1 бит информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять параллельные операции.
Несомненно, достижения в области разработки биокомпьютеров важны не только для развития вычислительной техники, но и для биохимии в целом. Идеи создания новых видов компьютеров часто кажутся фантастическими и невыполнимыми.
Сами принципы их работы пугают своей сложностью (например, нейрокомпьютеры). Иногда будущие компьютеры согласно идее и на компьютеры в нашем современном представлении не похожи (биокомпьютеры). Но все же они есть (или, скорее, будут:)).
Будем ждать? Ну, а что же нам еще остается? Будем… Засим закругляюсь… Счастливо вам дождаться:)!
Константин Яшин, доцент, Сергей Юшко aka Gedemin,
gedemin@tut.by
компьютерная газета
Зачем нам нужны все эти новые технологии? Зачем лезть в дебри, изобретать что-то совершенно новое, тратить огромные деньги на новые исследования? Повторюсь еще раз. Специалисты уже давно предупреждают о скором достижении предела возможностей полупроводниковой технологии производства вычислительной техники. Уменьшение элементов интегральных микросхем уже до 80-120 нм влечет за собой появление следующих серьезных проблем:
— концентрация легирующих примесей уже не будет одинаковой во всем объеме полупроводникового кристалла;
— резко увеличится вероятность туннельной утечки электронов между соседними элементами, что чревато замыканием всей интегральной микросхемы.
Все это обусловлено физической природой полупроводников. И никуда от этого не деться. А как следствие возникновения этих проблем будет возрастать доля дефектных чипов, уменьшится долговечность их использования, увеличится себестоимость полупроводниковой вычислительной техники. Незавидное будущее? Конечно. Вот поэтому ученые ведущих мировых исследовательских центров и институтов ищут новые принципы организации вычислительной техники, которая будет более эффективной. Порой свежие идеи бывают настолько новы, что кажутся буквально фантастическими. Одной из ветвей дальнейшего развития вычислительной техники может стать создание биологических компьютеров.
В основе их создания лежит прежде всего опыт биохимии, а также биологии, физики, генетики и информатики. Основной принцип создания биокомпьютеров — использование реальных биологических процессов для создания искусственных вычислительных схем. На настоящий момент существует несколько принципиально различных типов биокомпьютеров, использующих различные биологические процессы:
1) искусственные нейронные сети;
2) основанные на эволюционном программировании;
3) использующие генные алгоритмы;
4) ДНК-компьютеры;
5) клеточные компьютеры.
Первые два направления появились еще в начале 40-х годов! Но, к сожалению, до сих пор не привели к созданию чего-то реально работающего. Последние три направления основаны на принципах генной инженерии и гораздо более перспективны. Но направления эти еще довольно молоды (всего около 10 лет). Работы по ним ведутся в следующих лабораториях:
1. Массачусетский технологический институт.
2. Лаборатория Беркли.
3. Лаборатория Рокфеллера (неспроста знаменитый миллиардер, известный своим чутьем на выгодные проекты, заинтересовался этой областью).
4. Техасский университет.
ДНК-компьютер считается самым перспективным и наиболее популярен у разработчиков. Почему? Судите сами:
— плотность хранения информации в ДНК составляет 1 бит/нм2. Это в триллион выше, чем у видеопленки!
— ДНК может параллельно выполнять до 1020 операций в секунду. Это сравнимо разве что со скоростью современных терафлоповых суперкомпьютеров!
В качестве памяти в биокомпьютерах могут использоваться следующие биологически активные молекулы:
1) молекулы ДНК;
2) молекулы батериородопсина.
Батериородопсин обладает замечательными голографическими свойствами и способен выдерживать довольно высокие температуры. Кстати, на его основе уже создан вариант трехмерного запоминающего устройства.
Каков же принцип функционирования ДНК-компьютеров?
ДНК — это полимер, состоящий из нуклеотидов (комбинации сахара, фосфата и азотистого основания A-, T-, G- или C-типа — вдаваться в тонкости их химических обозначений мы не будем). Известно, что молекула ДНК состоит из двух спиралей, скрепленных водородными связями. Принципиальным является то, что основание A может образовывать водородные связи только с основанием T, а основание G — только с основанием C. Вот этот принцип и пытаются использовать в конструировании вычислительной техники. Элементарная ячейка памяти образуется тремя нуклеотидами, соединенными в любой последовательности. Называется она кодон. Затем из кодонов формируется цепь ДНК.
Главная трудность в разработке ДНК-компьютеров связана с проведением избирательных однокодонных взаимодействий внутри цепи ДНК.
Однако и в этом направлении уже есть прогресс. На настоящий день уже существует оборудование, позволяющее работать с одним из 1020 кодонов молекулы ДНК. Существует и еще одна проблема — самосборка ДНК-компьютера, приводящая к потере информации. Чтобы ее преодолеть, в ДНК вводят специальные ингибиторы (вещества, предотвращающие химическую реакцию самосшивки). Создание ДНК-компьютера будет осуществляться методами генной инженерии, размерные возможности которой гораздо выше литографических.
Зачем же нужны биокомпьютеры? С их помощью можно будет решать следующие задачи:
— осуществление цифрового контроля над процессами, протекающими в человеческом организме;
— выполнение простейших математических операций.
Биокомпьютеры существуют не только в проектах и схемах. На сегодняшний день уже есть реальные разработки. Приведу примеры некоторых из них:
1. Ученым из университета г. Висконсия (США) удалось провести вычислительную реакцию на молекулах ДНК, химически закрепленных на инертной гладкой поверхности подложки из золота. Передача сигналов между молекулами ДНК осуществлялась с помощью тепловой энергии и химических веществ.
2. Тим Гарднер из Бостона на примере бактерий кишечной палочки сконструировал цифровой преобразователь биохимических сигналов. Длительность работы устройства составила 20 часов.
3. Майкл Еловиц из Рокфеллеровского центра научных исследований собрал ДНК-цепочку, способную воспроизводить с определенной частотой одну и ту же биохимическую реакцию (вариант биологических часов).
4. Леонард Эдлмен из Университета Южной Калифорнии сумел решить задачу гамильтонова пути. Нужно было найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами, в каждом из которых разрешается побывать только один раз. Схема пути представляет собой однонаправленный граф (с теорией графов можете ознакомиться в курсе дискретной математики). Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает экспоненциально. Каждый город Эдлмен идентифицировал уникальной последовательностью из 20 нуклеотидов. Тогда путь между любыми двумя городами будет состоять из второй половины кодирующей последовательности для точки старта и первой половины кодирующей последовательности для точки финиша (молекула ДНК, как и вектор, имеет направление). Синтезировать такие последовательности современная молекулярная аппаратура позволяет очень быстро. В итоге последовательность ДНК с решением составит 140 нуклеотидов (7ґ20). Нужно только синтезировать и выделить такую молекулу ДНК. Для этого в пробирку поместили около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, которыми кодировались города и пути между ними.
Далее за счет взаимного притяжения нуклеотидов А-Т и G-C отдельные цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Остается лишь выделить из них соответствующие искомому решению. Эдлмен решил эту задачу биохимическими методами, последовательно удалив сначала цепочки, которые не начинались с первого города — точки старта — и не заканчивались местом финиша, затем те, которые содержали более семи городов или не содержали хотя бы одного. Остававшаяся молекула ДНК и есть решение поставленной задачи.
5. Группа ведущего специалиста в области ДНК-компьютеров Тома Кнайта из Массачусетского технологического института, экспериментируя с ДНК-связанными протеинами, создала биологический цифровой инвертор. Если в биосистему ввести протеин, то на выходе из нее получим протеин Б, и наоборот.
И напоследок немного затронем тему бактериальных компьютеров. Это также перспективное направление замены полупроводниковых компьютеров. Бактериальные компьютеры представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных микроорганизмов". Один из плюсов такого вида вычислительной техники — ожидаемая дешевизна их производства. Бактериальным компьютерам не нужна будет настолько стерильная производственная среда, как в случае полупроводниковых компьютеров. И однажды запрограммировав клетку можно вырастить миллион таких же клеток с такой же программой.
Можно также упомянуть, что бактериальные компьютеры:
— объединяют информационные технологии и биотехнологии;
— смогут управлять химическими заводами;
— смогут регулировать биологические процессы внутри человеческого организма (например, вырабатывать инсулин);
— смогут перевести вычисления на химическую основу.
Но и при создании бактериальных компьютеров разработчики сталкиваются с рядом проблем.
Прежде всего, это организация всех клеток в одну растущую систему. Сегодня практические результаты в области бактериальных компьютеров напоминают достижения 30-40-х годов в области ламповых и полупроводниковых компьютеров. Сейчас в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института создана клетка, способная хранить 1 бит информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять параллельные операции.
Несомненно, достижения в области разработки биокомпьютеров важны не только для развития вычислительной техники, но и для биохимии в целом. Идеи создания новых видов компьютеров часто кажутся фантастическими и невыполнимыми.
Сами принципы их работы пугают своей сложностью (например, нейрокомпьютеры). Иногда будущие компьютеры согласно идее и на компьютеры в нашем современном представлении не похожи (биокомпьютеры). Но все же они есть (или, скорее, будут:)).
Будем ждать? Ну, а что же нам еще остается? Будем… Засим закругляюсь… Счастливо вам дождаться:)!
Константин Яшин, доцент, Сергей Юшко aka Gedemin,
gedemin@tut.by
компьютерная газета
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 34 за 2004 год в рубрике hard :: технологии
