Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

ДНК правит компьютером

Ключевые слова:  ДНК, компьютер

Автор(ы): Бидыло Тимофей Иванович

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

03 декабря 2020

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 108транзисторов [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).

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: Архив работ молодых ученых


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Пастух Евфграфович, 02 июля 2021 09:33 
Рис. 2Б. Лист – уникальная нанотехнологическая машина, использует в качестве источника энергии свет.

Поехали дальше
Нужна ли ремонтопригодная раскрываемая оболочка, тумблер "ВКЛ", ручки для переноски, ножки и т.д. для нанобиоЭВМ
Можно ли утверждать, что:
а) у всякой машину есть оболочка, корпус, понятно для чего и нам этого не избежать;
б) всякая полезная машина потребляет и выдает, кроме тепла, информацию;
в) информация, в конце концов, поступает на наши органы осязания;
г) шар - примет на свою оболочку наибольшее количество информации;
д) можно создать одинаковые самособирающиеся в кластеры шары (биоЭВМ);
г) можно представить информацию, как часть потока данных;
д) можно предусмотреть самосборку кластеров прямо внутри бесконечного потока (вселенная) и этот устойчивый кластер, для начала будет состоять из 13-и одинаковых шаров, например; предложите свои цифры;
е) центральный шар будет соприкасаться и электрохимически срастаться, для обмена уже своим видом информации, с 12-ю остальными (12 двунаправленных высокоскоростных линий последовательной информации и, одновременно, точек крепления и автоматически станет ведущим (нулевым) процессором, как наиболее защищённый (старт - по готовности);
ж) любая неразрушающая информация будет проходить в кластер и сквозь него;
з) можно представить кластеры которые будут принимать (в том числе от человека, прямо на свои оболочки), передавать по цепочке (и по тактильно разрывной: "я готов к взаимодействию, кто меня слышит, кто меня видит..., кто меня понимает, прием?"), и выдавать однозначно воспринимаемую квалифицированным человеком информацию для его нужд;
и) можно представить, какое питание биоЭВМ будет самым оптимальным и/или автономным... для производства необходимых для человека продуктов жизнедеятельности, включая информацию;
к)итак, что бы двигаться и выживать (а какое время жизни приемлемо для окупания затрат?) биоЭВМ нужна такая оболочка (скорлупа для биоЭВМ).
Выделим оболочку(и?) в отдельную тему, т.к. её можно обособлено создавать и испытывать отдельной супергруппой и приступим к написанию предварительного технического задания для неё (думайте-пишите, а то будет как всегда и опять ничего не напишите ):
0 среда обитания
1 диапазон температур окружающего воздуха
2 диапазон влажности
3 вибропрочность
4 радиационная прочность
5 диапазон давления
6 диапазоны и интерфейс внешних датчиков
7 жизненный цикл
8 принципы восстановления и развития
9 перепрограммирование целей существования
10 допустимость саморазмножения

А защиту от любопытства многоглазого краба, например, продумывать?
11 съедобность
12

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

 

На грани невозможного
На грани невозможного

Наносистемы: физика, химия, математика (2024, Т. 15, № 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/volume15/15-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 5)
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/volume14/14-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 4)
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/volume14/14-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2023 году
коллектив авторов
30 мая - 01 июня пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
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.