Компьютерами будущего станут ДНК и бактерии
Похоже, ученые уже определились, как можно будет обойти закон Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года. Закон предсказывает, что к 2060 г. элементы микросхемы должны будут стать размером с атом, что невозможно с точки зрения квантовой механики. Хотя произойти это может гораздо раньше: за последние несколько лет период удвоения производительности сократился с двух до полутора лет.
Впрочем, сам Гордон Мур еще в 2007 г. высказал мысль, что его закон скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света. Однако это не означает остановку технического прогресса. Не исключено, что принципиально новый его этап начнется, когда человечество откажется от квантових компьютеров в пользу биологических.
ДНК или чип
Биокомпьютеры - своеобразный гибрид информационных технологий и биологических систем. Исследователи из различных областей науки - биологии, физики, химии, генетики - пытаются использовать природные процессы для создания искусственных вычислительных схем. В фокусе исследователей находятся молекулы ДНК. Согласно прогнозу агентства IDC к 2020 г. объем данных, созданных и сохраненных человечеством, достигнет 40 000 эксабайт. Это 40 трлн гигабайт, или по 5200 гигабайт на человека. И для хранения такого объема информации было бы достаточно менее 100 г ДНК. Вычислительная мощность ДНК-процессора размером с каплю превышает возможности самых продвинутых суперкомпьютеров.
Более 10 трлн ДНК-молекул занимают объем всего в 1 куб. см. Однако такого количества достаточно для хранения объема информации в 10 Тбайт, при этом они могут производить 10 трлн операций в секунду. Еще одно преимущество ДНК-процессоров в сравнении с обычными кремниевыми заключается в том, что триллионы молекул ДНК, работая одновременно, могут производить все вычисления не последовательно, а параллельно, что обеспечивает моментальное выполнение сложнейших математических расчетов (могут выполнять до 1014 операций в секунду). Тогда как все компьютеры на основе фон-неймановской архитектуры, несмотря на существование многопроцессорных систем, многоядерных процессоров и различных технологий, направленных на повышение уровня параллелизма,- устройства с последовательным режимом выполнения команд.
Теоретически кодировать информацию в молекулах несложно: по сути, это происходит по аналогии с обычным программированием. Современные компьютеры работают с бинарной логикой: используя последовательность нулей и единиц, можно закодировать любую информацию. В молекулах ДНК имеется четыре базовых основания: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T), связанных в цепочку. То есть при кодировании информации на молекуле ДНК (одинарная цепочка) используется четверичная логика.
Для различных манипуляций с ДНК-молекулами используются различные энзимы (ферменты). И точно так же, как современные микропроцессоры имеют набор базовых функций типа сложения, сдвига, логических операций (AND, OR и NOT NOR), ДНК-молекулы под воздействием энзимов могут выполнять такие базовые операции, как разрезание, копирование, вставка и т. п. Причем разные манипуляции с ДНК-молекулами можно производить параллельно, и они не будут влиять друг на друга. Что и необходимо для решения многоуровневых задач.
Какие задачи решает сейчас ДНК-компьютер
Первым создал вычислительную систему на базе ДНК Леонард Эдлмен из Университета Южной Калифорнии: с помощью такого биокомпьютера он сумел решить задачу гамильтонова пути. Ее суть заключается в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семью), в каждом из которых разрешается побывать лишь один раз. Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает. Каждый город Эдлмен идентифицировал уникальной последовательностью из 20 нуклеотидов: синтезировать такие последовательности современная молекулярная аппаратура позволяет очень быстро. В итоге последовательность ДНК с решением составила 140 нуклеотидов (7x20). Оставалось лишь синтезировать и выделить такую молекулу ДНК.
Подобных экспериментов было немало, причем использовались не только ДНК, но и РНК. К примеру, ученые из Принстонского университета заставили молекулы рибонуклеиновой кислоты, одной из трех основных макромолекул, которые содержатся в клетках всех живых организмов, решить комбинаторную шахматную задачу. РНК нашли правильный ход шахматного коня на доске из девяти клеток (всего их 512 вариантов).
Упомянутые опыты проводились в пробирке, а вот первый "физически осязаемый" биокомпьютер в 1999 г. создал профессор Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук. Пластмассовая модель имитировала работу молекулярной машины в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК, используя РНК в качестве посредника между ДНК и белком. В 2001-м Шапиро удалось воплотить систему в реальном биокомпьютере, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК -- программного обеспечения. При этом в одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений достигла миллиарда операций в секунду, а точность - 99,8%. Но биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответа: "истина" или "ложь".
В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что японская фирма Olympus Optical в сотрудничестве с профессором Токийского университета Акирой Тоямой претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Компьютер, построенный Olympus Optical, имеет молекулярную и электронную составляющие. Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая - обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты. Обычно анализ генов выполняется вручную и занимает более трех дней: нужно синтезировать много фрагментов ДНК и контролировать ход химических реакций. Биосистема же способна выполнять все необходимые расчеты всего за шесть часов.
Результаты более свежих исследований и достижений в этой сфере в большинстве своем остаются засекреченными. Из дозированных сообщений на эту тему известно лишь, что ученые сейчас работают над решением двух принципиальных задач, без ответа на которые невозможно создать полноценный биокомпьютер. Первая - организация клеток в единую рабочую систему. Без этого биокомпьютер может выдавать лишь ограниченный тип ответов. Вторая - быстрое и правильное извлечение сохраненной информации.
Хотя определенные подвижки в решении этих задач есть. Например, недавно биологи из Корнеллского университета в Итаке создали биокомпьютеры на основе РНК, способные отключать и включать гены. Ученым удалось собрать и "вставить" в кишечную палочку простейшие логические цепочки, аналоги выражений И, И + НЕ и других примитивных операций. Группа исследователей из Стэнфордского университета создала из молекул ДНК и РНК транзистор для биокомпьютеров будущего. Эти транзисторы работают за счет движения полимеразы РНК вдоль молекулы ДНК. Соединение таких биологических транзисторов, которые получили название "транскрипторы", в сложные цепи по аналогии с электроникой позволяет получить биологические логические элементы, способные хранить информацию и выполнять логические операции.
Как запрограммировать бактерии
Еще одним интересным направлением является создание компьютеров на основе бактерий. Для этой цели идеально подошли бы бактерии, если бы в их геном удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников. И единожды запрограммировав клетку, можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой. В 2001 г. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы (то есть микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции И и ИЛИ.
Другие научные лаборатории экспериментируют с бактерией Escherichia coli - кишечной палочкой. Так, перепрограммировав этот микроорганизм, специалисты из Школы биологических и медицинских систем инженерии создали биокомпьютер, сумевший успешно решить известную логическую задачу о сортировке блинов (Burnt Pancake Problem), которые должны лежать в стопке определенным образом.
А команда ученых из Калифорнийского университета внедрила в геном кишечной палочки элементы молекулярных логических схем (аналогичных электронным логическим элементам компьютерных микросхем), создав таким образом миниатюрные компьютеры, способные совместно решать более сложные задачи. В настоящее время ученые из Калифорнийского университета совместно с компанией Life Technologies организовали предприятие, занимающееся коммерциализацией разработанной технологии. Такие биокомпьютеры предполагается использовать в области сельского хозяйства, производства фармацевтических препаратов, материалов и промышленных химикатов. А следующим шагом развития данной технологии станет разработка формализованного языка, подобного языкам программирования, на котором будут составляться генетические программы для бактерий-мини-компьютеров.
Руководители внутри нас
Биокомпьютеры произведут революцию не только в IT-сфере, но и во многих других отраслях. Биологические системы размером с каплю смогут хранить терабайты информации, а их производительность будет исчисляться миллиардами операций в секунду при энергопотреблении не более одной миллиардной доли ватта.
Ученые уверены, что в перспективе ДНК-машины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними, производить гормоны и доставлять определенную дозу препарата к конкретному органу. Психиатры также говорят о возможности внедрения крошечных биомашин в организм человека для лечения психических расстройств, а со временем и для коррекции поведенческих реакций.
С помощью клеточных компьютеров можно будет объединить информационные и биотехнологии для управления предприятиями, производства запрограммированных видов продукции. Причем всего за несколько часов можно проанализировать эффективность деятельности огромного завода, включая экономику, парк оборудования, состояние производственных площадей, конкурентоспособность основных видов товаров, необходимость расширения производств и т. п.
Биокомпьютер заменит все традиционные технические средства лабораторий, оставив им решать незначительные прикладные задачи. Биокомпьютерные технологии в бизнесе, науке, производстве и даже в управлении государством позволят моментально найти наилучшие решения, что избавит мир от фатальных проблем, связанных с неумелым руководством.
Опубликовано в ежемесячнике "Власть денег" за октябрь 2015 г. (№10/435)
