Υπολογιστικές μηχανές από… DNA

 By physicsgg on 21/12/2023

Tα τελευταία χρόνια, η εντυπωσιακή ανάπτυξη των ψηφιακών υπολογιστών, των δικτύων της μηχανικής μάθησης και των συστημάτων Τεχνητής Νοημοσύνης έχουν οδηγήσει την αύξηση των επιδόσεων των σημερινών υπολογιστικών μηχανών στα όριά της, επειδή οι επεξεργαστές τους δεν διαθέτουν την αναγκαία υπολογιστική ισχύ για να ακολουθήσουν τις νέες τεχνολογικές εξελίξεις.

Γι’ αυτό οι ερευνητές στο πεδίο της Υπολογιστικής εξερευνούν, εδώ και τρεις δεκαετίες, εναλλακτικές τεχνολογικές λύσεις στο δυσεπίλυτο πρόβλημα για ολοένα και μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ. Αναζητούν, δηλαδή, νέου τύπου επεξεργαστές που θα πρέπει να διαθέτουν όχι μόνο αυξημένη αξιοπιστία, αλλά ταυτόχρονα και σχετικά περιορισμένες ενεργειακές ανάγκες κατά την επεξεργασία του διαρκώς αυξανόμενου όγκου πληροφοριών.

Επομένως, οι μονάδες των νέων υπολογιστών οφείλουν να διαφοροποιούνται τόσο ως προς το υλικό τους υπόστρωμα, δηλαδή το «υλισμικό» τους, όσο και ως προς τα άυλα προγράμματα που επεξεργάζονται περισσότερες πληροφορίες, ταχύτερα και ενεργειακά οικονομικότερα.

Από το πυρίτιο στο DNA

Μια σημαντική πρόοδος σε αυτόν τον τομέα έρευνας πραγματοποιήθηκε φέτος στη Σανγκάη από μία κινεζική ομάδα ειδικών, οι οποίοι ανακοίνωσαν τα επιτεύγματά τους στο διεθνούς κύρους περιοδικό «Nature». Αυτή η μεγάλη και διεπιστημονική ομάδα ερευνητών που, εδώ και χρόνια, εργάζονται στο κορυφαίο κινεζικό Πανεπιστήμιο Jiao Tong υπό τη διεύθυνση του καθηγητή Hui Lv, κατάφερε να δημιουργήσει ένα νέο σύστημα βιοπληροφορικής επεξεργασίας που αποτελείται από 100 δισεκατομμύρια μικροκυκλώματα τα οποία, για την ώρα, είναι σε θέση να λύνουν, με εντυπωσιακή ταχύτητα, κάποιες εξισώσεις και να εκτελούν μερικές μαθηματικές πράξεις. Ομως, οι Κινέζοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε πολλές άλλες σύνθετες δραστηριότητες, π.χ. στην ιατρική διαγνωστική.

Πρόκειται για το πιο περίπλοκο, ευέλικτο και ισχυρό βιο-υπολογιστικό σύστημα που έχει κατασκευαστεί μέχρι σήμερα: ο επεξεργαστής του αποτελείται από 100 δισεκατομμύρια μικροκυκλώματα, η δομή και η λειτουργία των οποίων βασίζεται όχι στα γνωστά τσιπάκια πυριτίου, αλλά σε μόρια DNA. Αυτό που πέτυχαν είναι να δημιουργήσουν μία «πύλη επεξεργασίας προγραμματισμένη με βάση το DNA», αγγλιστί DPGA (DNA-based programmable gate array), όπως οι ίδιοι οι ερευνητές περιγράφουν στο άρθρο τους αυτή τη νέα τεχνική δημιουργίας υπολογιστών DNA.

Όσο για τη στρατηγική που ακολούθησαν οι ερευνητές στη Σανγκάη, ήταν να κόψουν μικρές αλληλουχίες ή τεμάχια από μόρια DNA, τα οποία και τα συνένωσαν μεταξύ τους εργαστηριακά ώστε να δημιουργήσουν μεγαλύτερα μόρια τα οποία, κατόπιν, τα ενσωμάτωσαν με διαφορετικούς συνδυασμούς για να σχηματίσουν, τελικά, τα υπολογιστικά μικροκυκλώματα του νέου επεξεργαστή από DNA και όχι από τα συνήθη τσιπάκια πυριτίου.

Σε σχέση με τους υπάρχοντες επεξεργαστές από πυρίτιο, η επιλογή του επεξεργαστή από DNA ήταν εύλογη και προφανής, διότι ενώ τα τσιπ πυριτίου είναι αρκετά μικρά, ένας επεξεργαστής από μόρια DNA είναι ασύγκριτα μικρότερος και άρα πολύ ταχύτερος και οικονομικότερος ενεργειακά. Επιπλέον, τα μόρια DNA είναι αποδεδειγμένα πολύ σταθερά και φερέγγυα τόσο για την αποθήκευση όσο και την επεξεργασία πληροφοριών και γι’ αυτό ακριβώς αποτελούν το βασικό συστατικό αποθήκευσης της γενετικής πληροφορίας που υπάρχει στα γονίδια των περισσότερων ζωντανών οργανισμών!

Βέβαια, όπως παραδέχονται και οι Κινέζοι ερευνητές, μολονότι είμαστε ακόμη στις απαρχές των εφαρμογών της Υπολογιστικής του DNA, τα τελευταία τριάντα χρόνια έχουν πραγματοποιηθεί σημαντικά βήματα σε αυτή την κατεύθυνση. Πάντως, η πρόσφατη δυνατότητα δημιουργίας, μέσω της Υπολογιστικής του DNA, νέων ευρείας χρήσης υπολογιστικών συστημάτων, αποτελεί μία αποφασιστική καμπή που θα επηρεάσει αποφασιστικά αυτόν τον νέο και πολλά υποσχόμενο τεχνολογικό τομέα.

Σπύρος Μανουσέλης