Уже в начале двухтысячных стало ясно, что скоро будет достигнут предел полупроводниковой технологии производства вычислительных устройств. С самого начала существования компьютеров было выбрано направление на уменьшение размеров компонентов их интегральной схемы и при достижении 80-120 нм проявляется ряд проблем, связанных с физической природой полупроводниковых наночастиц. Во-первых, концентрацию элементов, допирующих полупроводниковый кристалл уже нельзя считать одинаковой во всём объёме. Во-вторых — резко увеличивается вероятность туннельной электронной утечки (проще говоря, замыкания) между компонентами интегральной схемы. Следствием этих двух причин становится возросшая доля дефектных чипов и недолговечность их эксплуатации (а, значит, и себестоимость полупроводниковой продукции).
Понимая, что технологии упаковки и передачи данных необходимо развивать, многие ведущие научные институты и компании (а среди них такие монстры, как Массачусетский технологический институт, лаборатории Сандия, IBM, Оксфордский университет) ищут новые принципы, новые физические основы для создания более эффективных, чем полупроводниковые, компьютеров. Самое интересное то, что новые устройства, хотя бы отдаленно не должны напоминать своих предшественников. А значит, есть простор для фантазии.
Почему биология?
Всё окружающее нас биологическое разнообразие является превосходной демонстрацией талантов природы в качестве программиста. Если говорить о человеке, то каждый, даже самый незначительный процесс выполняется согласно программе, записанной в ДНК. Именно поэтому одной из альтернатив современной полупроводниковой технике в будущем могут стать биологические компьютеры. Они представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии. Исследователи из различных областей науки (биологии, физики, химии, генетики, информатики) пытаются использовать реальные биологические процессы для создания искусственных вычислительных схем. Выделяют несколько принципиально отличных друг от друга типов биологических компьютеров, основанных на различных биологических процессах: искусственные нейронные цепи, эволюционное программирование, генные алгоритмы, ДНК- и клеточные компьютеры. Первые два стали исследоваться ещё в начале 40-х годов, но до сих пор эти исследования ни к чему реально работающему не привели. Последние три, основанные на методах генной инженерии, имеют гораздо большие перспективы, но работа в этих областях началась только в 1995 году (особенно продвинулись в этом вопросе Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, лаборатории Рокфеллера, а также Техасский университет).
ДНК
Если сравнивать потенциальные возможности биологического компьютера с тем, на котором пишется эта статья, то первый значительно опережает своей сегодняшний аналог. Плотность хранения информации в ДНК составляет 1 бит/нм^2, что, например, в триллион раз меньше, чем у видеоплёнки. ДНК может параллельно выполнять до 1020 операций в секунду - а это сравнимо с современными терафлоповыми суперкомпьютерами.
Принцип устройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательном соединении четырёх нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи). Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют элементарную ячейку памяти - кодон, которые затем формируют цепь ДНК. Основная трудность в разработке ДНК-компьютеров связана с проведением избирательных однокодонных реакций (взаимодействий) внутри цепи ДНК. Однако прогресс есть уже и в этом направлении. Уже есть экспериментальное оборудование, позволяющее работать с одним из 1020 кодонов или молекул ДНК. Другой проблемой является самосборка ДНК, приводящая к потере информации. Её преодолевают введением в клетку специальных ингибиторов - веществ, предотвращающих химическую реакцию самосшивки.
Создание биологического ДНК-компьютера планируется осуществлять с помощью методов генной инженерии, размерные пределы которой гораздо ниже литографических. С помощью биологического "железа" в скором времени будет возможным осуществлять цифровой контроль за процессами, протекающими в человеческом организме, и проделывать простейшие математические операции. Учёным из университета г. Висконсин даже удалось провести вычислительную операцию на молекулах ДНК, химически закрепленных на инертной гладкой поверхности золота. Передача сигналов между молекулами ДНК осуществлялась с помощью тепловой энергии и химических веществ. Тим Гарднер из Бостона на примере бактерии кишечной палочки (E-coli) сконструировал цифровой преобразователь биохимическоих сигналов, длительность работы которого составляет 20 часов. Майкл Еловиц из Рокфеллеровского центра научных исследований собрал генетическую последовательность, способную в определенных условиях воспроизводить с определенной частотой одну и ту же биохимическую реакцию (вариант биологических часов). Группа ведущего специалиста в области ДНК-компьютеров Тома Найта из Массачусетского технологического, экспериментируя с ДНК-связанными протеинами, создала биохимический цифровой инвертор, в котором, если в биосистему ввести протеин А (+), то на выходе из системы получится протеин Б (-) и наоборот.
Несмотря на все успехи в этой области, у ДНК-компьютеров есть один существенный недостаток. Все участвующие в процессе работы цепочки ДНК исполняют строго определенную функцию. То есть без изменения структуры молекулы ДНК заставить биологический компьютер выполнять новое действие не выйдет. Поэтому до сегодняшнего дня ученые собирали простые биокомпьютеры, выполняющие по одной логической операции за такт.
Белки́
Кроме ДНК (хотя ДНК-компьютер наиболее популярен среди разработчиков), в качестве компьютерной биопамяти могут выступать другие биологически активные молекулы, например, бактериородопсин, обладающий превосходными голографическими свойствами и способный выдерживать высокие температуры. На его основе уже создан вариант трёхмерного запоминающего устройства. Молекулы бактериородопсина фиксируются в гидрогелевой матрице и облучаются двумя лазерами, как показано на рисунке.
Первый лазер (направленный аксиально на гидрогелевый образец) инициирует фотохимические реакции в молекуле и записывает информацию. Второй же, направленный перпендикулярно, считывает информацию, записанную на молекулах бактероиродопсина, находящегося в объёме гидрогеля.
Клетки-роботы
Другим перспективным направлением замены полупроводниковых компьютеров является создание клеточных (бактериальных) компьютеров. Они представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов (очень напоминает пчел, которые организуют упорядоченную иерархическую структуру внутри гнезда). Грубо говоря, стакан с бактериями и будет компьютером. Эти компьютеры очень дёшевы в производстве. Им не нужна настолько стерильная атмосфера как при производстве полупроводников. И однажды запрограммировав клетку, можно быстро вырастить миллион таких же клеток с такой же программой.
С помощью клеточных компьютеров станет возможным непосредственное объединение информационной технологии и биотехнологии. Они будут управлять химическим (биохимическим) заводом, они будут делать для вас сорт пива, запрограммированный вами, регулировать биологические процессы внутри вашего организма (например, производить инсулин). Клеточные биокомпьютеры смогут перевести вычисления на химическую основу.
Основная проблема, с которой сталкиваются создатели клеточных биокомпьютеров, - организация всех клеток в единую работающую систему. На сегодняшний день практические достижения в области клеточных компьютеров напоминают достижения 20-х годов в области ламповых и полупроводниковых компьютеров. Сейчас в Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического университета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций.
На сегодняшний день никто не может ответить, какой конкретно физический принцип заменит полупроводниковые технологии (биокомпьютеры, квантовые компьютеры, оптические компьютеры, квантовые или какие-либо ещё). Но исследования в области биокомпьютеров всё равно будут продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания биокомпьютеров, но и для всей биохимии в целом.
Последние результаты
В статье, опубликованной в Nature, говорится о том, что группе генетиков из Гарвардского университета удалось создать биологический компьютер из кишечной палочки, что является развитием экспериментов Тима Гарднера из Бостона в начале двухтысячных. На базе бактерии даже создали логическую схему, роль электрических сигналов в которой исполнили молекулы РНК.
Помня о недостатках, вместо ДНК учёные использовали короткие молекулы РНК. Такой подход позволил им создать биокомпьютер, способный исполнять все функции полупроводниковых процессоров. Молекулы РНК бактерий, как говорится в большинстве источников, имеют форму «булавок». Эти «булавки» меняют форму, когда к ним присоединяется другая молекула РНК с подходящим набором «булавок». Форма РНК определяет, может ли рибосома прочитать её и собрать белковую молекулу, которая заставляет клетку подать определенный сигнал. Комбинируя разные типы «булавок» на концах молекулы РНК, можно добиться на выходе разных сигналов и, соответственно, создать аналоги логических элементов полупроводниковых схем. Учёные из Гарварда создали несколько универсальных вычислительных блоков из молекул РНК, способных обрабатывать все четыре базовых логических операции и проверять любые логические выражения. Затем, удостоверившись, что это работает, они объединили несколько блоков в систему из 444 звеньев, исполняющую 12 логических операций и обрабатывающую пять разных химических сигналов. Как рассказал один из авторов работы Ким Йонгмин,
«Нам даже удалось встроить два независимых друг от друга логических устройства в одну бактерию, которые выделяют два разных типа светящихся белков. Это открывает дорогу для создания биосенсоров, целиком умещающихся в одну клетку. Кроме того, подобную систему легко трансплантировать и в другие виды микробов».
Областью применения таких биологических компьютеров в первую очередь является медицина — для наблюдений за процессами, происходящими внутри живых клеток, а также для создания датчиков мониторинга за состоянием здоровья человека.
Ваш Д.
