دانشمندان رایانه‌ای از DNA ساخته‌اند که بدون برق کار می‌کند
اگرچه رایانه‌های DNA به‌اندازه دستگاه‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون سریع نیستند، اما از نظر بهره‌وری انرژی، ظرفیت ذخیره‌سازی و پردازش موازی مزایای متعددی دارند. تاریخ محاسبات مملو از ماشین‌های شگفت‌انگیزی است که در اندازه‌ها و شکل‌های گوناگون ساخته شده‌اند. رایانه…
خلاصه تحلیلی خبر
اگرچه رایانه‌های DNA به‌اندازه دستگاه‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون سریع نیستند، اما از نظر بهره‌وری انرژی، ظرفیت ذخیره‌سازی و پردازش موازی مزایای متعددی دارند. تاریخ محاسبات مملو از ماشین‌های شگفت‌انگیزی است که در اندازه‌ها و شکل‌های گوناگون ساخته شده‌اند. رایانه…
موضوعات اصلی: پشتیبانی شبکه، DNA، رایانه‌های، رایانه، محاسبات، دانشگاه
اگرچه رایانه‌های DNA به‌اندازه دستگاه‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون سریع نیستند، اما از نظر بهره‌وری انرژی، ظرفیت ذخیره‌سازی و پردازش موازی مزایای متعددی دارند.
تاریخ محاسبات مملو از ماشین‌های شگفت‌انگیزی است که در اندازه‌ها و شکل‌های گوناگون ساخته شده‌اند. رایانه هاروارد مارک یک، یکی از نخستین رایانه‌های اولیه که در جریان جنگ جهانی دوم توسعه یافت، حدود ۵ تن وزن داشت و از ۷۵۰ هزار قطعه مجزا تشکیل می‌شد. در مقابل، دانشگاه میشیگان در سال ۲۰۱۵ از رایانه‌ای به نام میکرو موت رونمایی کرد که ابعاد آن تنها یک میلی‌متر بود. حتی اجزای پایه‌ای تشکیل‌دهنده رایانه‌ها نیز تنوع چشمگیری دارند.
درحالی‌که بیشتر رایانه‌های امروزی برای پردازش اطلاعات به سیلیکون و ترانزیستورها متکی هستند و لامپ‌های خلأ را پشت سر گذاشته‌اند، رایانه‌های DNA از مولکول‌های بنیادی حیات برای انجام محاسبات بهره می‌برند. اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه مینوت در ایرلند، یکی از سریع‌ترین رایانه‌های DNA تا به امروز را توسعه داده‌اند. طبق نتایج مطالعه‌ای که در مجله نیچر منتشر شده، این دستگاه از میلیاردها یا حتی تریلیون‌ها رشته DNA استفاده می‌کند که همگی در یک قطره آب جای می‌گیرند.
دیمین وودز، نویسنده ارشد این پژوهش در دانشگاه مینوت، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت
مولکول‌ها با یکدیگر تعامل می‌کنند، ساختاری را شکل می‌دهند و همان ساختار پاسخ محاسبه است. یکی از نوآوری‌های کلیدی این سامانه آن است که بدون نیاز به دریافت مداوم انرژی، به‌طور طبیعی پاسخ درست را پیدا می‌کند.
مواد اولیه این دستگاه بیشتر به تجهیزات یک آزمایش زیست‌شناسی شباهت دارند تا قطعات مورد استفاده در ساخت تجهیزات الکترونیکی. آب، نمک، رشته‌های کوتاه DNA و یک داربست بلندتر از همین مولکول، در کنار یکدیگر سامانه‌ای موسوم به رایانه DNA مبتنی بر داربست (SDC) را تشکیل می‌دهند. این رایانه به‌جای مصرف پیوسته انرژی برای اجرای مجموعه‌ای از مراحل پردازشی، از یک اصل فیزیکی بهره می‌گیرد که طی آن رشته‌های DNA با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند و به حالتی با انرژی مطلوب‌تر می‌رسند. بر اساس توضیحات وب‌سایت زی‌ام‌ای ساینس، داربست DNA نقش بستر محاسباتی را بر عهده دارد و رشته‌های کوتاه‌تر که کاشی‌های محاسباتی نامیده می‌شوند، به آن متصل می‌شوند. این اجزا در نهایت به حالتی با کمترین انرژی و کمترین تعداد کاشی‌های ناسازگار می‌رسند.
پژوهشگران عملکرد رایانه DNA را در ۷۰۰ محاسبه مختلف آزمایش کردند؛ این محاسبات از ضرب‌های ساده تا تشخیص زوجیت در داده‌های ۸ بیتی را شامل می‌شدند. نتایج نشان داد که این سامانه در ۹۵ درصد موارد پاسخ موفقی ارائه می‌دهد. حل معادلات ساده تنها چند ده ثانیه زمان می‌برد، اما مسائل پیچیده‌تر ممکن است چند ساعت طول بکشند. بنابراین، سرعت اجرای یک محاسبه منفرد، نقطه قوت اصلی رایانه‌های DNA به شمار نمی‌رود.
تریستان استرین، یکی از دو نویسنده نخست این مطالعه در دانشگاه مینوت، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت
واکنش درون لوله آزمایش به‌سرعت انجام می‌شود، اما سرعت آن به پای سیلیکون نمی‌رسد و اساساً هم قرار نیست چنین باشد. بااین‌حال، در مقایسه با سایر رایانه‌های DNA، سامانه ما سریع‌ترین نمونه محسوب می‌شود.
اگرچه بعید به نظر می‌رسد رایانه‌های DNA در آینده جایگزین گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌های رومیزی مورد استفاده روزمره شوند، این فناوری مزایای قابل‌توجهی در زمینه مصرف برق، پردازش موازی و ذخیره‌سازی اطلاعات دارد. رایانه جدید SDC برای آغاز محاسبات تنها به مقدار کمی گرما نیاز دارد. همچنین، با وجود کند بودن واکنش‌های منفرد DNA، اجرای هم‌زمان تعداد زیادی از آن‌ها می‌تواند سرعت پردازش را در مقیاس‌های بزرگ‌تر افزایش دهد. از آنجا که تریلیون‌ها رشته DNA قادرند به‌طور هم‌زمان واکنش نشان دهند، مدت‌هاست این احتمال مطرح شده که چنین رایانه‌هایی در حل مسائل نیازمند پردازش موازی گسترده، از ماشین‌های متعارف پیشی بگیرند.
در همین زمینه، پژوهشی که دانشگاه جیائو تونگ شانگهای در سال ۲۰۲۳ در مجله نیچر منتشر کرد، مدارهای DNA را معرفی کرد که از بیش از ۱۰۰ میلیارد پیکربندی منحصربه‌فرد پشتیبانی می‌کردند. افزون بر این، DNA ظرفیت فوق‌العاده‌ای برای ذخیره‌سازی داده‌ها دارد؛ به‌طوری‌که از نظر نظری، تنها یک سانتی‌متر مکعب DNA می‌تواند اطلاعاتی معادل محتوای یک تریلیون لوح فشرده را در خود جای دهد.
در حال حاضر، این رایانه جدید نشان می‌دهد که اجزای بنیادی سازنده حیات ظرفیت آن را دارند که تعریف ما از محاسبات را دگرگون کنند.
دیمین وودز در بیانیه مطبوعاتی خود گفت
این پژوهش در قلمرو علم بنیادی و اکتشافات آینده‌محور قرار دارد. هنوز نمی‌دانیم آینده ما را به کدام سمت خواهد برد.
برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.