Informacije

Kaj je računalništvo z DNK, kako deluje in zakaj je tako velik posel

Kaj je računalništvo z DNK, kako deluje in zakaj je tako velik posel


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

V zadnjem desetletju so inženirji pri iskanju močnejših računalnikov naleteli na težko fizično realnost: tranzistorjev, stikal za vklop in izklop, ki napajajo računalniški procesor, ni mogoče zmanjšati, kot so trenutno. Če pogledamo onkraj silicijevega čipa, se trenutno razvija intuitivna alternativa z uporabo DNK za izvajanje enakih zapletenih izračunov, kot to počnejo silicijevi tranzistorji zdaj. Kaj pa je računalništvo z DNK, kako deluje računalništvo z DNK in zakaj je to tako velik problem?

Beyond the Transistor

Težava tranzistorjev je v tem, da zdaj obstajajo v obsegu nekaj nanometrov - debeli so le nekateri atomi silicija. Praktično jih ni mogoče narediti manjših kot zdaj.

Če se zmanjšajo, električni tok, ki teče skozi tranzistor, zlahka uhaja v druge komponente v bližini ali pa tranzistor zaradi toplote deformira, zaradi česar je neuporaben. Za delovanje tranzistorja potrebujete minimalno število atomov in funkcionalno smo dosegli to mejo.

Inženirji so našli nekaj rešitev za to težavo z uporabo večjedrnih in večprocesorskih sistemov za povečanje računske moči, ne da bi morali tranzistorje dodatno krčiti, toda tudi to predstavlja kompromise glede programskih izzivov in potreb po moči, zato je potrebna druga rešitev, če upamo, da bomo v prihodnosti videli zmogljivejše računalnike.

GLEJ TUDI: POZNAVNO RAČUNALNIŠTVO: VEČ ČLOVEŠKIH KOT UMETNA OBVEŠČEVALNOST

Medtem ko kvantno računalništvo v zadnjem času dobiva veliko tiska, je računalništvo DNK lahko enako - ali celo močnejše - kot celo kvantno računalništvo in ne naleti na skoraj toliko omejitev stabilnosti, kot jih ima kvantno računalništvo. Poleg tega vemo, da deluje; sami smo živi primeri shranjevanja podatkov in računske moči računalništva DNK.

Izziv za računalništvo z DNA je, da je v primerjavi s klasičnim računalništvom zelo počasen. Evolution je na stotine milijonov let razvil zapleteno zaporedje DNK, ki obstaja v vsaki od naših celic, tako da je DNK navajena delati v skladu z geološkimi časovnimi okviri, ne pa z več gigaherci sodobnih klasičnih procesorjev.

Kako torej deluje računalništvo DNK in zakaj ga opravljamo, če je tako počasno?

Kaj je računalništvo z DNK, kako deluje in zakaj je tako veliko?

Da bi razumeli, kaj je računalništvo z DNK, kako deluje in zakaj je računalništvo z DNK tako velik zalogaj, najprej nehamo razmišljati o njem kot o nekakšni zamenjavi za našo vsakdanjo klasično uporabo računalnika; ne bomo kmalu igrali iger na računalniku z DNK, če bi bilo kaj takega sploh mogoče. Silicijevi čipi bodo pri nas še zelo dolgo.

Računalništvo DNA je tisto, kar bi uporabili za reševanje problemov, ki presegajo okvire klasičnega računalnika, na enak način, kot lahko kvantno računalništvo v nekaj trenutkih prekine šifriranje RSA, medtem ko lahko klasični računalnik to stori tisoče let.

Računalništvo DNK je leta 1994 prvič opisal računalniški znanstvenik Leonard Adleman z Univerze v Južni Kaliforniji. Po branju o strukturi DNK ga je navdihnilo, da je napisal članek v reviji Znanost prikazuje, kako bi lahko uporabili DNK za zloglasni matematični in računalniški problem, znan kot režirani problem Hamilton Path, ki ga običajno imenujemo problem "prodajalca" (čeprav je problem Hamilton Path nekoliko drugačna različica problema potujočega prodajalca, za naše namene pa so v bistvu zamenljivi).

V čem je težava potujočega prodajalca?

Kot je opredeljeno s težavo trgovskega potnika, ima podjetje prodajalca, ki ga mora obiskati n število mest, ki kličejo, in lahko vsako mesto obiščejo samo enkrat. Kakšno zaporedje obiskanih mest zagotavlja najkrajšo in s tem tudi najcenejšo pot?

Kdaj n enako 5, je problem mogoče ročno rešiti na papirju in klasičen računalnik lahko razmeroma hitro preizkusi vse možne poti. Kaj pa če n enako 20? Iskanje najkrajše poti skozi 20 mest postane računsko veliko težje in klasični računalnik bi eksponentno dalj časa trajal, da bi našel odgovor.

Poskusite najti najkrajšo pot med 500 mesti in klasični računalnik bi potreboval dlje kot celotno življenjsko dobo vesolja, da bi našel najkrajšo pot, saj je edini način, da preverimo, ali smo našli najkrajšo pot, preveriti vsako posamezno permutacijo mest . Nekateri algoritmi obstajajo z uporabo dinamičnega računalništva, ki lahko teoretično zmanjša število potrebnih preverjanj (in dejanski problem Hamilton Path ne zahteva preverjanja vsakega vozlišča v grafu), vendar bi to lahko otrelo nekaj milijonov let z vrha; problem bo v klasičnem računalniku še vedno skoraj računalniško nemogoč.

Kako računalništvo z DNA rešuje to težavo

Adleman je lahko dokazal [PDF], da je DNK mogoče sestaviti tako, da se lahko epruveta, polna blokov DNK, sestavi, da hkrati kodira vse možne poti v težavi prodajalca.

V DNK genetsko kodiranje predstavljajo štiri različne molekule, imenovane A, T, C in G. Ti štirje "bitji", ko so povezani v verigo, lahko vsebujejo neverjetno veliko podatkov. Navsezadnje je človeški genom kodiran v nečem, kar je mogoče spakirati v eno jedro celice.

Z mešanjem teh štirih molekul v epruveto so se molekule naravno sestavile v verige DNA. Če neka kombinacija teh molekul predstavlja mesto in pot leta, bi lahko vsak pramen DNK za prodajalca predstavljal drugačno pot leta, pri čemer se vse izračuna naenkrat pri sintezi vzporednih verig DNA.

Potem bi preprosto šlo za filtriranje daljših poti, dokler ne ostane samo najkrajša pot. V svojem prispevku je pokazal, kako je to mogoče storiti s 7 mesti in rešitev problema bo kodirana takoj, ko bodo sintetizirane verige DNA.

Razlog za to vznemirjenje je bil, da so strukture DNA poceni, razmeroma enostavne za izdelavo in razširljive. Teoretično ni nobene omejitve moči, ki jo ima računalništvo z DNK, saj se njegova moč poveča, kolikor več molekul dodate v enačbo, in v nasprotju s silicijevimi tranzistorji, ki lahko izvedejo eno samo logično operacijo hkrati, lahko te strukture DNA teoretično izvedejo toliko izračunov na čas, ki je potreben za rešitev problema in to vse naenkrat.

Težava pa je v hitrosti. Čeprav so bili potrebni trenutki, da je Adlemanova rešitev problema potniškega prodajalca kodirala v njegove verige DNA v epruveti, so trajali dnevi filtriranja slabih rešitev, da bi našel optimalno rešitev, ki jo je iskal -po natančna priprava na ta enkraten izračun.

Kljub temu je bil koncept dober in potencial za neverjetno povečanje zmogljivosti shranjevanja in računskih hitrosti je bil očiten. To je sprožilo dve desetletji raziskav, kako ustvariti praktično računalništvo z DNK v resnici.

Kakšne so prednosti računalništva DNK?

Kot je razvidno iz Adlemanovega prispevka, je glavna prednost računalništva DNK pred klasičnim računalništvom - in celo kvantnim - v tem, da lahko vzporedno izvaja nešteto izračunov. Ta ideja vzporednega računalništva ni nova in ga v klasičnem računalništvu posnemajo že desetletja.

Ko v računalniku zaženete dve aplikaciji hkrati, se dejansko ne izvajata hkrati; v danem trenutku se izvaja samo eno navodilo. Torej, če poslušate glasbo in kupujete v spletu z brskalnikom, računalnik dejansko uporablja nekaj, kar se imenuje preklop konteksta, da bi videz sočasnosti.

Zažene navodila za en program, shrani stanje programa po izvedbi navodil in program odstrani iz aktivnega pomnilnika. Nato naloži prej shranjeno stanje drugega programa, zažene naslednje navodilo, shrani novo stanje in ga nato izprazni iz aktivnega pomnilnika. Nato znova naloži prvi program, da izvede naslednje navodilo itd.

Z miljoni prirastnih korakov na sekundo v različnih programih dosežemo videz sočasnosti, vendar se pravzaprav nikoli nič ne izvaja vzporedno. Računalništvo DNK lahko dejansko izvede te milijone operacij hkrati.

V en kubični centimeter lahko stisnemo več kot 10 bilijonov molekul DNA. Ta kubični centimeter materiala bi lahko teoretično izvedel 10 bilijonov izračunov hkrati in shranil kar 10 terabajtov podatkov. V mnogih pogledih veliko zadihanega, a netočnega tiska, ki ga dobi kvantno računalništvo je dejansko mogoče z računalništvom DNK.

Računalništvo DNK je potemtakem najbolje razumeti kot dopolnilo kvantnega računalništva, tako da se, ko se združijo in jih poganja klasični računalnik, ki deluje kot upravitelj v slogu Singletona, vrste dramatičnih povečanj računalniške moči, ki jih ljudje upajo videti v prihodnosti. dejansko postali realno možni.

Kako dolgo bo trajalo, da pridejo računalniki DNA

Od leta 1994 smo prehodili dolgo pot. Kmalu po tem, ko je Adleman objavil svoj članek, so raziskovalci lahko zgradili logična vrata iz DNK - deli vezja, zgrajenega iz posameznih tranzistorjev, ki lahko iz električnega toka zgradijo zapletene resnično-lažne logične enačbe. .

Ravno ta mesec so računalniški znanstveniki s Kalifornijske univerze v Davisu in Caltechu sintetizirali molekule DNA, ki se lahko samosestavijo v strukture, tako da v bistvu zaženejo svoj program s šestbitnimi vhodi.

Microsoft ima celo programski jezik za računalništvo DNK, s katerim lahko računalništvo DNK postane praktično, ko tehnologija bioprocesorjev napreduje do te mere, da lahko poganja bolj dovršene algoritme. Pravzaprav Microsoft načrtuje uvedbo računalništva DNK v svoje oblačne storitve do leta 2020 in aktivno razvija pomnilnik podatkov DNK, ki ga bo vključil v svoje oblačne storitve.

Verjetno bo ta napredek uresničen veliko hitreje kot napredek v kvantnem računalništvu. Za kvantno računalništvo so potrebni dovršeni stroji, superprevodniki in izjemno hladni pogoji, da ohranjajo kubite dovolj stabilne za izvajanje kakršnih koli dejansko uporabnih računskih nalog, in če ne razvijemo materiala, ki lahko deluje kot superprevodnik pri sobni temperaturi, se ne bodo prebili v naše računalnike kadar koli prej.

Računalništvo DNK medtem uporablja DNK, s katero smo postali strokovnjak za manipulacijo do te mere, da nadomestimo en gen verige DNA s pomočjo CRISPR. Materiali, potrebni za sintezo molekul DNA, so poceni in lahko dostopni ter stabilni pri sobni temperaturi in več. Kaj lahko DNA Computing potencialno lahko doseže glede na odpornost in biološko vzporednost DNA, je bistven korak k prihodnosti računalništva.


Poglej si posnetek: How great leaders inspire action. Simon Sinek (Julij 2022).


Komentarji:

  1. Adiv

    graciozno vprašanje

  2. Adhamh

    Mislim, da se motiš. Razpravljajmo o tem. Pišite mi na PM.

  3. Tehuti

    Čestitamo, odličen odgovor.

  4. Vorisar

    Mislim, da se motiš. Ponujam, da razpravljam. Pišite mi v PM.



Napišite sporočilo