Ученые стали на шаг ближе к компьютеру на основе ДНК

Ученые создали новый биокомпьютерный чип, который производит вычисления с использованием ДНК-субстрата, включая математические операции, необходимые для обучения искусственного интеллекта (ИИ) и обработки больших объемов данных.

Исследователи описали новую биокомпьютерную платформу в журнале PLOS One. ДНК - это схема жизни, она кодирует генетическую информацию, подобно тому, как данные могут быть закодированы на электронных устройствах хранения.

Устройства на основе ДНК ранее использовались для кодирования данных в небольших масштабах, но этот прототип чипа также использует ДНК для обработки данных.

"ДНК превосходно хранит информацию, фактически, она намного лучше электронных моделей памяти, потому что она примерно на 3-6 порядков компактнее большинства имеющихся у нас аппаратных средств памяти; она также намного надежнее и долговечнее", - говорит соавтор исследования Амлан Гангули, глава департамента компьютерной инженерии Рочестерского технологического института, говорится в заявлении.

ДНК уже давно предлагается как более эффективный способ хранения данных, чем традиционные методы, такие как жесткие диски и твердотельные накопители (SSD). Исследователи ранее в 2017 году уже создавали устройства хранения данных на основе ДНК, в том числе кодировали молекулы ДНК бактерий.

Но скорость передачи данных на платформах хранения данных на основе ДНК намного ниже, чем на обычных устройствах хранения данных. К тому же, хранение в ДНК намного дороже в производстве.

Кроме того, относительно неизученным остается не только принцип хранения, но и обработки данных на устройствах, созданных на основе ДНК.

В ходе исследования Гангули и его команда изучали, как манипулировать ДНК на молекулярном уровне, чтобы отразить многие функции, которые ДНК разделяет с вычислениями, например, секвенирование (считывание данных) и синтез (запись данных).

Данные в ДНК кодировались путем надрезания нитей в различных точках, чтобы соответствовать 1 и 0 двоичного кода, и представляли различные вычисления с использованием сети микрофлюидных каналов. По ним, как по интегральной схеме, перемещается жидкость для выполнения функций в виде химических реакций.

Исследователи обнаружили, что могут хранить и обрабатывать данные на одном чипе и выполнять базовые вычисления, которые однажды могут помочь в обучении моделей искусственного интеллекта (ИИ).

Обработка данных на основе ДНК дает множество преимуществ. В отличие от обычных вычислений, хранение и вычислительные компоненты обрабатываются одним компонентом, а не отдельными.

Это означает, что, поскольку ДНК может хранить в 1000 раз больше данных на единицу объема, чем твердотельные накопители, обработка этих данных становится более эффективной. Обработка ДНК также может обеспечить "беспрецедентный параллелизм" за счет одновременного выполнения миллиардов операций.

Это новое устройство является доказательством концепции, но ученые надеются, что, масштабируя устройство, однажды его можно будет использовать для обучения систем искусственного интеллекта.

"Это мост от хранения к вычислениям и использованию ДНК в качестве средства для выполнения вычислений", - говорит Гангули, добавляя, что компьютер, изготовленный на основе ДНК, может быть гораздо более экологичным, чем традиционная электроника.