Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис 1. а) Схематическая работа связки процессор-шина. Временная развертка 2-х пакетов. Пакет записывается в процессор (красный пик), обрабатывается за несколько тактов (черные пики), результат считывается из процессора (зеленый пик). б) Увеличение потока информации требует либо повышения частоты ядра процессора, либо увеличения ядер процессора (параллельные вычисления).
Рис. 2А. Схема работы нанопроцессора: запись информации на грань нанопроцессора, параллельные вычисления в объеме, считывание информации с грани нанопроцессора.
Рис. 2Б. Лист – уникальная нанотехнологическая машина, использует в качестве источника энергии свет.
Рис.3. Пример построения фигуры заданной формы из одноцепочечной ДНК вируса М13 (черная цепочка) и коротких комплементарных цепочек (цветные) [2]
Рис. 4А. Примеры двумерных и трехмерных структур, полученных методом ДНК-оригами.
Рис. 4Б. Примеры двумерных и трехмерных структур, полученных методом ДНК-оригами.
Рис. 4С. Примеры двумерных и трехмерных структур, полученных методом ДНК-оригами.
Рис.5А. Примеры структур, выложенных из тайлов [2]
Рис.5Б. Примеры структур, выложенных из тайлов [2]
Рис. 6А. Игра «Жизнь» в исполнении ДНК: самосборка тайлов аналогична результатам работы клеточных автоматов [5].
Рис. 6Б. Объекты ДНК-оригами на литографически вытравленных подложках [7].
Рис.7. Последовательность сборки нанопроцессора.
Рис.8. Схема коррекции ошибок сборки.
Рис. 9. а) Вид нанопроцессора сбоку. б) Схема подложки процессора-нанорельса. в) Цикл загрузки внешних данных на микроэлемент.

ДНК правит компьютером

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, молекула ДНК, нанопроцессор, периодика, творчество

Автор(ы): Бидыло Тимофей Иванович

Опубликовал(а):  Шушарина Анастасия Леонидовна

27 октября 2010

Наиболее вероятно, что главным революционным отличием процессоров будущего станут объемная (3D) архитектура и наноразмер составляющих, что позволит головокружительно увеличить количество элементов. Сегодня кремниевые технологии приближаются к своему технологическому пределу, и ученые ищут адекватную замену кремниевой логике. Клеточные автоматы, спиновые транзисторы, элементы логики на молекулах, транзисторы на нанотрубках, ДНК-вычисления…

Но как собрать наноэлементы в сложное единое целое? Как подвести к ним питание? Как они будут обмениваться информацией? Как их заставить работать сообща? И еще, не менее важная проблема – как организовать обмен информацией между внешним миром и наноустройствами, иначе говоря, как сделать информационный переходник от «микро» к «нано»?

Увы, на сегодняшний день главные претенденты на замену кремния находятся в состоянии идей или работающих стендовых образцов. Их технические реализации, в подавляющем большинстве, не дают ответа на поставленные выше вопросы, откладывая на будущее решение этих проблем.

Вместе с тем, вдали от нанотранзисторов, развивается новая область нанотехнологии, изучающая самоорганизацию информационной основы жизни – молекул ДНК. Возможно, именно этой науке удастся задать новый вектор в дизайне наноустройств, ответив на основные остававшиеся без ответа вопросы.

Взяв цепочки молекул ДНК как шаблон, мы попробуем представить, как с их помощью будет выглядеть сборка нанодеталей в нанопроцессор, его «общение» с внешним миром. Задав размер элементов нанопроцессора, мы оценим его сравнительные характеристики и возможную архитектуру (вероятно, супермультиядерную), а также как он сможет изменить повседневную жизнь.

Оценка нанопроцессора

Основываясь на тенденции последних лет, можно сделать вывод, что основной задачей компьютера будущего останется хранение, доступ и обработка увеличивающихся объемов информации. Поток информации (кадры видео, сетевой трафик, данные измерений приборов) состоит из пакетов, которые нанопроцессор будущего должен успевать перерабатывать за время между пакетами. На рис.1 представлены два основных современных подхода к решению этой проблемы.

Любая синхронная процессорная архитектура неизбежно сталкивается с технологическими ограничениями, в частности, с ограничениями частоты, так что дальнейшее повышение производительности становится возможным только благодаря параллельным вычислениям, то есть при увеличении количества ядер процессора. Поэтому задачи будущего неизбежно приведут к многоядерным процессорам.

Рассмотрим сравнительные характеристики предполагаемого нанопроцессора будущего и процессора сегодняшнего дня.

Ядро современного процессора имеет размер кристалла порядка 1 см3 и содержит около 108 транзисторов [1]. Таким образом, на один транзистор приходится площадь порядка 1000x1000 нм.

Положим, что наш нанопроцессор будет иметь объем 1 см3 и состоять из плотно упакованных кубиков размером 10 нм. Количество таких кубиков составит 1018, что равнозначно 1010 процессорных ядер, каждое с линейным размерами ~5 мкм. По закону Мура такой процессор нас ожидает в достаточно отдаленном будущем – примерно через 33 года.

Конечность скорости света приводит к пределу частоты нанопроцессора в 30 ГГц (время между импульсами синхронизации 0,03 нс), что не так уж революционно по современным меркам. Однако в случае автономных микроядер нанопроцессора аналогичный предел может быть в 2000 раз выше.

Архитектура процессора

Чтобы не размещать в объеме лишние провода и тем самым сэкономить место, можно использовать свет, синхронизируя и питая элементы процессора световыми импульсами.

Принцип сборки нанопроцессора

Для сборки наноэлементов процессора в трехмерный кристалл можно использовать популярный подход нанотехнологии – самосборку. Из существующих на сегодняшний день подходов, на мой взгляд, наибольшей универсальностью и гибкостью обладает вариант, основанный на принципе комплементарности молекул ДНК.

Метод, основанный на данном принципе, называется ДНК-оригами. Он уже сегодня позволяет собирать довольно сложные структуры (в том числе и трехмерные). Для создания требуемого объекта используется длинная одноцепочечная ДНК вируса М13 и большое число коротких фрагментов, комплементарных разным частям длинной ДНК. При помещении длинной ДНК в раствор с короткими фрагментами, последние самопроизвольно связывают ее в заданную фигуру. Необходимые для формирования заданной фигуры короткие последовательности рассчитываются на компьютере (рис.3), что позволяет получать самые причудливые формы. [2 - 4] (рис. 4).

Кроме того, данный метод позволяет создавать заготовки, называемые тайлами, содержащие по краям в нужных местах липкие концы ДНК, необходимые для дальнейшего связывания тайлов друг с другом или с другими фрагментами. Такие заготовки могут быть использованы в качестве строительных блоков, из которых можно управляемо, как из деталей конструктора, строить достаточно сложные объекты (рис.5). Было показано, что сборка тайловых ДНК-структур аналогична результатам работы клеточных автоматов (рис.6а).

Необходимо отметить, что в компании IBM тоже заинтересовались этой технологией для построения схем [6], и уже научились располагать объекты ДНК-оригами на литографически вытравленных подложках [7] (рис. 6б).

Сборка нанопроцессора из элементов

Описанные ДНК-структуры могут стать заготовками для деталей нанопроцессора. Среди них есть как объекты, напоминающие соединительные провода, так и структуры, напоминающие кубические ячейки, в которых можно разместить элементы нанопроцессора. Если «присоединить» к таким молекулам ДНК необходимые элементы процессора, то можно собрать из них нанопроцессор (рис.7)

Предполагаемая последовательность сборки:

  1. Выбирается подложка для роста ядер процессора. Создаются одинаковые плоские ДНК-тайлы – основы для ядер процессора (~5мкм). Один такой «тайл-подложка» закрепляется (рис.7а), после чего можно последовательно «привязать» к его грани необходимое количество похожих тайлов (рис.7б), а потом собрать такие «полоски» в квадрат (рис.7в).
  2. К собранному основанию добавляются первые ДНК-кубики-элементы процессора, которые самоорганизуются в первый плоский слой логических элементов на ДНК-подложках для ядер (рис.7г).
  3. Добавляются ДНК-провода, соединяющие необходимые ДНК-элементы в каждом из ядер (рис.7д).
  4. Пункты 2) и 3) повторяются шаг за шагом, наращивая слоями элементы процессора.

    Подобная схема сборки позволяет использовать большое количество наноэлементов и менять от слоя к слою как правила соединения элементов, так и сами элементы.

    Кроме того, специальными ДНК-фрагментами на каждом шаге можно соединять весьма отдаленные участки схем. Например, для корректировки наиболее типичных ошибок сборки. Если после n-й стадии сборки на поверхности строящегося ядра будут присутствовать «типичные ошибки», на следующем шаге для их коррекции можно будет вводить специальные блоки, которые узнают ошибочные тайлы по принципу комплементарности и либо исправят в последующих слоях, либо исключат ошибочные блоки из использования в расчетах (рис.8).

    Можно предложить еще один вариант коррекции самосборки кристалла нанопроцессора. Сначала собрать отдельные ядра процессора, отсеять ошибочные специальными комплементарными им ДНК-зондами, «детекторами ошибок», а готовые бездефектные ядра собрать в единый «кристалл».

    Элементы процессора

    Элементы-кубики процессора, «привязанные» к ДНК, могут быть любыми, под их особенности можно сконструировать схему. Каждый кирпичик этой схемы может представлять собой как отдельный транзистор, так и логический элемент или ячейку памяти. Также могут быть использованы и «альтернативные» элементы компьютера, например, клеточные автоматы. Этот подход открывает широкие возможности для самых разных модификаций элементов и схем их сборки. Вероятно, в будущем будут спроектированы элементы нанокомпьютера хорошо совместимые с такой архитектурой.

На сегодняшний день наиболее технически-правдоподобно применять предложенный принцип сборки нанопроцессора, используя закрепленные на каркасе ДНК-оригами нанотранзисторы и молекулярные нанопровода.

Проводами могут служить связанные в пучки органические молекулы с цепочками сопряженных двойных связей и концевыми функциональными группами, необходимыми для присоединения к деталям.

Транзисторами могут служить изогнутые полупроводниковые одностенные углеродные нанотрубки, с прикрепленными к ним молекулярными «проводами».

Источники энергии – нанофотоэлементы на квантовых точках или молекулы типа хлорофилла.

После сборки, под внешним воздействием (например, при облучении светом определенной длины волны) оказавшиеся поблизости концевые группы проводов соединятся, замкнув в цепь все элементы.

Компьютер: работа с информацией на наноуровне

Использование нанотехнологий в компьютере будущего поставит вопрос о способах записи и считывании информации на наноэлементы. Например, грань нанопроцессора может принять до 116 ГБ информации. Учитывая размеры бита 10 нм, нужно придумать способ записи и считывания информации, который также может пригодиться и для хранения информации на жестком диске компьютера будущего.

Как один из вариантов, можно «тайлы-подложки» нанопроцессора сделать в виде спиральных «нанорельсов», тогда по ним можно будет запустить ездить нанороботов, считывающих и записывающих информацию, находящуюся в нижележащих элементах (рис.9)

Такой наноробот может быть создан, например, на основе «ездящей» по ДНК ДНК-полимеразы (скорость ~300 нм/сек [1]), как в работе [8]. После фотовозбуждения полимеразный наноробот начинает скользить по ДНК с некоторой определенной скоростью. Если в момент времени, когда наноробот проходит над нужным элементом, подать световой импульс, то он запишет в нижележащий элемент единицу (например, за счет FRET-взаимодействия между возбужденной квантовой точкой робота и находящимся под ним элементом), иначе элемент остается «нулем». Дойдя до конца рельса, наноробот соскальзывает. На пустое начало рельса, в ожидании следующей команды, самопроизвольно прикрепляется новый наноробот.

В качестве источника энергии движения наноробота могут выступать находящиеся в растворе молекулы АТФ, которые, опять же, могут синтезироваться фотохимически с использованием биомиметических нанотехнологий.

Считывание информации с такого процессора происходит похожим образом: если под нанороботом находится единица – он испускает кванты света. (Идея в измененном виде позаимствована из разработанного недавно метода определения последовательности ДНК: [9]). Чтение и запись происходит в разные ячейки, разделённые в пространстве.

Впрочем, необязательно записывать информацию в каждую ячейку, можно, чтобы один бит записывался одновременно в 10000 ячеек, а логика процессора сама определяла границы записанных битов. Таким способом можно будет быстро записывать в процессор маленькие порции информации. Для подобных приложений также можно представить иные схемы обмена информацией, например, используя нанопровода на основе GaAs/Al0.8Ga0.2As [10].

Преимущества и недостатки по сравнению c традиционными подходами

Описанный принцип самосборки позволяет гибко создавать компактные схемы, предоставляя возможность контроля ошибок. Фотопитание и фотосинхронизация элементов позволяют избавиться от лишних проводов и, упростив схему, более плотно разместить элементы компьютера в объеме.

Однако предложенная наноэлектроника характеризуется рядом существенных недостатков: повышенной помехочувствительностью, меньшей стабильностью органических макромолекул по сравнению с неорганическими, и, как следствие, малым сроком службы. В процессе конструирования предложенной схемы, вероятно, возникнет ряд других технических проблем, например, выбор малопоглощающих свет материалов процессора, отвод выделяющегося тепла и т.д.

Вполне вероятно, что в будущем альтернативные логические наносхемы, например, на неэлектрических молекулярных логических элементах или на синхронных клеточных автоматах, окажутся более совместимыми с таким дизайном нанопроцессора.

Рассмотренная схема обмена информацией между макроуровнем и наноустройством имеет то преимущество, что не требует сверхточного позиционирования сложных приборов, что позволяет обмениваться информацией с наноуровнем, используя технологически реальные средства коммуникации, не требующие сложных методов наноманипулирования. Этот метод, вероятно, не будет лишен ошибок, но используя помехоустойчивое кодирование информации можно добиться, как в современных оптических приводах, достаточной надежности коммуникации.

Перспективы практического использования

Принцип контролируемой самоорганизации процессора позволит значительно упростить и автоматизировать схему производства таких процессоров, что приведет к снижению цены на вычислительные ресурсы. По описанной выше схеме могут быть созданы как относительно медленные суперпроцессоры (например, обладающие гигантской разрядностью), так и сверхбыстрые супермультиядерные процессоры. Кроме того, подобная архитектура может быть использована для хранения данных, если часть элементов использовать как память, а часть как контроллер доступа к ней. Например, куб со стороной 1 см и элементами 10 нм сможет вместить до 1,16*108 ГБ информации, если оперировать объемами данных в двоичной системе счисления. Располагая огромной вычислительной мощностью в малом физическом объеме, такой нанокомпьютер оставит в прошлом огромные громоздкие суперкомпьютеры и сервера.

Описанный в работе компьютер будет иметь наибольшие перспективы в областях, связанных с большими вычислениями, с обработкой больших потоков информации: 3D моделирование (обработка кадров графики), распознавание образов, кодирование информации (сетевые технологии, мультимедиа).

Применение описанного в работе нанопроцессора приведет:

  • к увеличению объема производства 3D анимации;
  • к снижению стоимости компьютерных вычислений, в том числе, квантово-механического моделирования;
  • к организации сетевых серверов вычислений (пользователи высылают задание- компьютер с нанопроцессором его обрабатывает).

Кроме того, появление мощных серверов, занимающих мало места, стимулирует бурное развитие сетевых технологий.

Такой компьютер будет очень полезен:

  • при обработке огромных потоков информации от научных приборов в проектах, основанных на распределенных вычислениях (например, поиске внеземных цивилизаций в радиоэфире SETI@Home)
  • в компьютерном моделировании и квантово-механических расчетах: быстром поиске новых лекарств, создании новых материалов
  • в моделировании нелинейных процессов (прогноз погоды, взрыв), где требуется обработка больших массивов экспериментальных данных, в которых, чем больше точек измерений и параметров, тем точнее прогноз.

Недостатком предложенного нанопроцессора для рядовых пользователей будет необходимость перехода пользователей «обычных» компьютеров и мобильных устройств на закрытые алгоритмы шифрования, поскольку применяемые на данный момент открытые алгоритмы шифрования могут быть легко взломаны таким суперкомпьютером.

Кроме вышеописанных применений, вполне возможно будет создание искусственного интеллекта, поскольку кора головного мозга человека содержит порядка 15-30*109 нейронов [11], что «слабее», чем 1010 элементов более «быстрого» нанопроцессора.

Список использованных источников.

  1. На основе результатов поиска в Гугл
  2. P.W.K Rothemund. “Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns” // Nature, 2006, v. 440, p. 297-302.
  3. E. Pound, J. R. Ashton, H.A. Becerril, A.T. Woolley. “Polymerase Chain Reaction Based Scaffold Preparation for the Production of Thin, Branched DNA Origami Nanostructures of Arbitrary Sizes” // Nano Letters, 2009, v. 9 (12), p. 4302-4305.
  4. E.S. Andersen et al. “Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid” // Nature, 2009, v. 459, p. 73-76.
  5. K. Fujibayashi et al. “Toward Reliable Algorithmic Self-Assembly of DNA Tiles: A Fixed-Width Cellular Automaton Pattern” // Nano Letters, 2008, v. 8 (7), p. 1791-1797.
  6. IBM Scientists Use DNA Scaffolding To Build Tiny Circuit Boards”, цитата по сайтуibm.com
  7. R.J. Kershner et al “Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces” // Nature Nanotechnology, 2009, v. 4, p. 557-561.
  8. Nanobot lets DNA legs do the walking”, цитата по сайту www.newscientist.com
  9. J. Eid et al. “Real-time DNA sequencing from single polymerase molecules” // Science, 2009, v. 323(5910), p. 133-138.
  10. Nicholas A. Melosh, Akram Boukai, Frederic Diana, Brian Gerardot, Antonio Badolato, Pierre M. Petroff, and James R. Heath “Ultrahigh-Density Nanowire Lattices and Circuits
  11. // Science 300 (5616), 112.
  12. P. Pelvig, H. Pakkenberg, K. Stark, B. Pakkenberg. "Neocortical glial cell numbers in human brains" // Neurobiology of aging, 2008, v. 29 (11), p. 1754–1762. Цитата по http://en.wikipedia.org/wiki/Brain
  13. Википедия: «Жизнь (игра)» http://ru.wikipedia.org/wiki/Жизнь_(игра)


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Сидельник Иван Юрьевич, 24 февраля 2013 01:31 
Очень и Очень интересно. Правда после этой статьи и того что прочел про Томаса Рея (про его 80-байтный "паразит") возникает ощущение, что "Песни Гипериона" Дена Симмонса пророческие.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Нано Нью-Йорк
Нано Нью-Йорк

Приглашение на вебинар «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает Вас принять участие в бесплатном вебинаре «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии,
Уважаемые коллеги! Приглашаем вас принять участие в работе XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который состоится с 9 по 13 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге и станет одним из основных мероприятий Международного года Периодической таблицы химических элементов, провозглашённого ООН в декабре 2017 г.
Проводится под эгидой Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.