Я и компьютеры
Мне посчастливилось жить в эпоху царствования информационных технологий. Хотя, справедливости ради, надо сказать, что я предыдущей эпохи не застала. Для меня является обыденностью то, что вся мировая литература умещается на паре DVD дисков, а поиск информации о том, что такое закон Мура, занимает ровно столько секунд, сколько мои десять пальцев набьют этот запрос в Google. Рекламные слоганы «Два ядра, два гига» уже не вдохновляют, а скорее провоцируют вопросы типа: а когда будет 3, 4 и т.д. Компьютеры так плотно вошли в нашу жизнь, что вряд ли найдется область деятельности свободная от их влияния. За последние годы компьютер превратился из объекта поклонения, доступного только для узкого круга специалистов, в незаменимую составляющую обыденной жизни. Компьютерные элементы встраиваются сегодня практически во все устройства, где это возможно. Следует только отметить, что на сегодняшний день только один вид компьютеров создается и используется в промышленных масштабах – это полупроводниковые компьютеры. Мировой лидер в данной области корпорация Intel создает архитектуры и полупроводниковые технологии, в которых используется огромное количество транзисторов. Сегодня в процессорах используется порядка двух миллиардов транзисторов, и эта цифра постоянно увеличивается [1].
Полупроводниковые компьютеры – это, действительно, чудо XX века, перевернувшее представление человечества о возможностях накопления и использования информации.
В силу моего возраста (15 лет), использование мною компьютерной техники пока достаточно узко: поиск информации для учебы, ведение собственного сайта, записи в twitter`е, ведение архива видео- аудио- и прочего медийного контента, составление презентаций.
Однако, еще несколько лет, и я уверена, что вычислительная техника из персонального помощника превратится для меня в рабочий инструмент, необходимый для моей научной деятельности. В старших классах я выбрала для себя специализацию Физика-Информатика, и по окончанию гимназии планирую поступать в Новосибирский государственный университет по этому профилю. Уже сейчас я стараюсь в факультативном режиме знакомиться с последними достижениями в области компьютерных технологий, отслеживать информацию о перспективных направлениях развития вычислительной техники. Несмотря на грандиозные успехи в области совершенствования полупроводниковой компьютерной техники: успешное освоение 45 нм процесса и представленной 32-нм производственной технологии с использованием диэлектриков high-k в транзисторах с металлическими затворами второго поколения, я уверена, что качественное изменение в этом направлении может произойти только за счет концептуального изменения принципов создания компьютеров. Основываясь на изученной информации, я считаю, что наиболее перспективное направление – создание биологического компьютера.
Биокомпьютер
В поисках альтернативы полупроводниковым технологиям в последнее время пристальное внимание обращают на биокомпьютеры, в основе которых лежит синтез информационных и молекулярных технологий. Биокомпьютер организует вычисления при помощи живых тканей, клеток, вирусов и биомолекул. Наибольшее распространение получил подход, в котором в качестве процессора используются молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). В центре этого подхода – ДНК процессор.
В молекулах ДНК имеются четыре базовых основания, связанных друг с другом в цепочку: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Таким образом, в ДНК компьютере используется не двоичная логика, как в полупроводниковом компьютере, а четверичная. И подобно тому, как в двоичной логике любую информацию можно закодировать в виде последовательности нулей и единиц, в молекулах ДНК можно кодировать любую информацию путем сочетания базовых оснований.
Базовые основания в молекулах ДНК находятся друг от друга на расстоянии 0,34 нанометра, что обусловливает их огромную информативную емкость — линейная плотность составляет 18 Мбит/дюйм. Если же говорить о поверхностной информативной плотности, предполагая, что на одно базовое основание приходится площадь в 1 квадратный нанометр, то она составляет более миллиона гигабит на квадратный дюйм. Для сравнения - поверхностная плотность записи современных жестких дисков составляет порядка 7 Гбит/дюйм 2. [2]
Для различных манипуляций над ДНК-молекулами используются различные ферменты. И точно так же, как современные микропроцессоры имеют набор базовых операций типа сложения, сдвига, логических операций AND, OR и NOT NOR, ДНК-молекулы под воздействием ферментов могут выполнять такие базовые операции, как разрезание, копирование, вставка и др. Все операции над ДНК-молекулами можно производить параллельно и независимо от других операций.
ДНК-молекулы со своей уникальной формой строения и возможностью реализовать параллельные вычисления позволяют по-другому взглянуть на проблему компьютерных вычислений. Традиционные процессоры выполняют программы последовательно. Несмотря на существование многопроцессорных систем, многоядерных процессоров и различных технологий, направленных на повышение уровня параллелизма, в своей основе все компьютеры, построенные на основе фон-неймановской архитектуры, являются устройствами с последовательным режимом выполнения команд. Все современные процессоры реализуют следующий алгоритм обработки команд и данных: выборка команд и данных из памяти и исполнение инструкций над выбранными данными. Этот цикл повторяется многократно и с огромной скоростью.
ДНК-вычисления имеют в своей основе абсолютно иную, параллельную архитектуру и, в ряде случаев, именно благодаря этому, способны с легкостью рассчитывать те задачи, для решения которых компьютерам на базе полупроводниковых процессоров потребовались бы годы.
Теоретическое обоснование биокомпьютеров было сделано еще в 50-х годах прошлого века (Р.П. Фейманом). Более детально эта теория была проработана в 70-х годах. Первый компьютер на базе ДНК был создан еще в 1994 г. американским ученым Леонардом Адлеманом. Он смешал в пробирке молекулу ДНК, в которой были закодированы исходные данные, и ферменты, подобранные специальным образом. В результате химической реакции структура ДНК изменилась таким образом, что в ней, в закодированном виде, был представлен ответ задачи.
Первую модель ДНК-компьютера в 1999 г. создал Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук. Она имитировала работу "молекулярной машины" в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК. В 2001 г. Шапиро удалось реализовать вычислительное устройство на основе ДНК, которое может работать почти без вмешательства человека. Система имитирует машину Тьюринга — одну из фундаментальных концепций вычислительной техники. Машина Тьюринга шаг за шагом считывает данные и в зависимости от их значений принимает решение о дальнейших действиях. Теоретически она может решить любую вычислительную задачу. По своей природе молекулы ДНК работают аналогичным образом, распадаясь и рекомбинируясь в соответствии с информацией, закодированной в цепочках химических соединений.
В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университета Акирой Тояма. 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.
Биокомпьютер vs. Кремниевый компьютер
Потенциал биокомпьютеров чрезвычайно велик. К достоинствам, выгодно отличающим их от компьютеров, основанных на кремниевых технологиях, относятся:
- более простая технология изготовления, не требующая для своей реализации столь жестких условий, как при производстве полупроводников;
- использование не бинарного, а тернарного кода (информация кодируется тройками нуклеотидов), что позволит за меньшее количество шагов перебрать большее число вариантов при анализе сложных систем;
- потенциально исключительно высокая производительность, которая может составлять до 1014 операций в секунду за счет одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК;
- возможность хранить данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков;
- исключительно низкое энергопотребление.
Однако, наряду с очевидными достоинствами, биокомпьютеры имеют и существенные недостатки, такие как:
- сложность считывания результатов – современные способы определения кодирующей последовательности несовершенны, сложны, трудоемки и дороги;
- низкая точность вычислений, связанная с возникновением мутаций, прилипанием молекул к стенкам сосудов и т.д.;
- невозможность длительного хранения результатов вычислений в связи распадом ДНК в течение времени.
Хотя до практического использования биокомпьютеров еще очень далеко, предполагается, что они найдут достойное применение в медицине и фармакологии, а также с их помощью станет возможным объединение информационных и биотехнологий.
Перспективы практического использования
Несмотря на то, что перспективы создания биологических компьютеров пока еще довольно туманны, огромные надежны на биокомпьютеры возлагают в первую очередь в области медицины и фармакологии. Также биокомпьютеры могут быть чрезвычайно полезны при решении задач, требующих одновременного выполнения множества сходных операций.
Практически, мы говорим про экспертные системы будущего. Эти системы смогут накапливать неограниченное количество знаний. Являясь по своей сути скорее диагностическими комплексами, биокомпьютеры смогут проводить анализ самых сложных объектов и явлений и за чрезвычайно короткое время выдавать наиболее оптимальные решения, опираясь каждый раз на безграничный объем прецедентов, учитывая огромное количество факторов.
И при таком подходе область применения биокомпьютеров выходит далеко за рамки медицины. Это может быть область управления любыми сложными система.
