Φανταστείτε έναν υπολογιστή που λειτουργεί χωρίς πρίζα, χωρίς μπαταρία, χωρίς το παραμικρό ηλεκτρικό ρεύμα. Υπάρχει ήδη, σε εργαστήρια έρευνας. Η αρχή βασίζεται στο DNA, το μόριο που περιέχει τον γενετικό μας κώδικα, μετατρεπόμενο σε ένα είδος βιολογικού επεξεργαστή. Συναρπαστικό στο χαρτί, αλλά η πραγματικότητα είναι πολύ πιο αργή από ένα βασικό smartphone.
Οι ερευνητές εργάζονται εδώ και αρκετά χρόνια σε συστήματα ικανά να επεξεργάζονται πληροφορίες μέσω χημικών αντιδράσεων μεταξύ μορίων DNA. Η ιδέα δεν είναι νέα, αλλά προχωράει αργά. Το συμπέρασμα παραμένει το ίδιο σε κάθε πρόοδο: η τεχνολογία λειτουργεί, είναι ακόμη και εντυπωσιακή από επιστημονική άποψη, αλλά η ταχύτητα υπολογισμού της είναι γελοία σε σύγκριση με οποιοδήποτε κλασικό ηλεκτρονικό κύκλωμα.
Πώς λειτουργεί ένας υπολογιστής DNA χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα;
Ένας κλασικός υπολογιστής χειρίζεται μηδενικά και άσσους, τον περίφημο δυαδικό κώδικα, με τη βοήθεια ηλεκτρικών ρευμάτων που κυκλοφορούν σε τρανζίστορ. Ο υπολογιστής DNA αλλάζει εντελώς τη λογική. Χρησιμοποιεί τα τέσσερα γράμματα του γενετικού κώδικα, A, T, C και G (αδενίνη, θυμίνη, κυτοσίνη, γουανίνη), για την κωδικοποίηση πληροφοριών και την εκτέλεση λειτουργιών.
Συγκεκριμένα, οι ερευνητές σχεδιάζουν συνθετικές αλυσίδες DNA που θα συναρμολογηθούν ή θα διαχωριστούν σύμφωνα με ακριβείς χημικούς κανόνες. Αυτές οι χημικές αντιδράσεις, βυθισμένες σε ένα απλό υδατικό διάλυμα, αντικαθιστούν τις ηλεκτρικές παλμικές ενός μικροεπεξεργαστή. Όταν ορισμένες αλυσίδες συνδέονται με άλλες, αυτό αντιστοιχεί σε μια λογική λειτουργία, όπως ένας υπολογισμός ή μια σύγκριση. Κανένα ηλεκτρικό ρεύμα δεν εμπλέκεται σε κανένα στάδιο της διαδικασίας: όλα συμβαίνουν σε μοριακό επίπεδο, σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα τοποθετημένο σε ένα τραπέζι εργαστηρίου.
Αυτή η λειτουργία καθιστά τη μηχανή εξαιρετικά οικονομική ως προς την κατανάλωση ενέργειας. Ενώ ένα κλασικό κέντρο δεδομένων καταναλώνει τεράστιες ποσότητες ηλεκτρικού ρεύματος για τη λειτουργία των διακομιστών του, ένα σύστημα βασισμένο σε DNA θα μπορούσε, θεωρητικά, να εκτελέσει ορισμένες εργασίες χωρίς να καταναλώσει ούτε ένα watt. Αυτή η υπόσχεση βιωσιμότητας είναι αυτή που προσελκύει τόσο την προσοχή των επιστημόνων όσο και του τεχνολογικού κλάδου.
Τρέχουσες επιδόσεις: γιατί αυτή η τεχνολογία παραμένει τόσο αργή;
Εδώ είναι το μέρος που δροσίζει τους περισσότερο ενθουσιώδεις. Μια λειτουργία που ένας ηλεκτρονικός επεξεργαστής εκτελεί σε κλάσμα νανοδευτερολέπτου μπορεί να διακρίνει αρκετές ώρες, ακόμη και αρκετές ημέρες, με ένα σύστημα βασισμένο σε DNA. Οι χημικές αντιδράσεις χρειάζονται χρόνο για να συμβούν: τα μόρια πρέπει να συναντηθούν, να συνδεθούν, να αποσυνδεθούν, σε ένα υδατικό μέσο όπου τίποτα δεν κινείται με την ταχύτητα του ηλεκτρισμού.
Η σύγκριση είναι σχεδόν κωμική τόσο μεγάλη είναι η διαφορά. Ένας απλός υπολογισμός όπως μια πρόσθεση, που χρειάζεται αντιληπτό χρόνο σε ένα τσιπ πυριτίου, μπορεί να απαιτήσει αρκετούς διαδοχικούς κύκλους αντιδράσεων σε έναν βιολογικό υπολογιστή, καθένα από τους οποίους περιλαμβάνει χρόνους επώασης, καθαρισμού και ανάγνωσης των αποτελεσμάτων. Μιλάμε εδώ για έναν παράγοντα αργής που μετράται σε εκατομμύρια, μερικές φορές σε δισεκατομμύρια, σε σχέση με την παραδοσιακή ηλεκτρονική.
| Κριτήριο | Ηλεκτρονικός υπολογιστής | Υπολογιστής DNA |
|---|---|---|
| Υπόβαθρο πληροφοριών | Δυαδικός κώδικας (0 και 1) | Ακολουθίες ATCG |
| Απαιτούμενη ενέργεια | Συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα | Χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα |
| Ταχύτητα απλής λειτουργίας | Νανοδευτερόλεπτα | Ώρες έως ημέρες |
| Θεωρητική ικανότητα αποθήκευσης | Περιορισμένη από το μέγεθος των τσιπ | Εξαιρετικά πυκνή |
Αυτή η αργή ταχύτητα εξηγείται επίσης από τη δυσκολία ανάγνωσης του τελικού αποτελέσματος. Σε αντίθεση με μια οθόνη που εμφανίζει στιγμιαία δεδομένα, συχνά πρέπει να αναλύσετε τα μόρια στο εργαστήριο, με ειδικό εξοπλισμό, για να ερμηνεύσετε αυτό που ο βιολογικός υπολογισμός παρήγαγε. Δεν είναι υπολογιστής που ανάβετε και χρησιμοποιείτε σε λίγα δευτερόλεπτα.
Ένα κενό ταχύτητας δύσκολο να φανταστεί κανείς
Ενώ ένα ηλεκτρονικό τσιπ επεξεργάζεται δισεκατομμύρια λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο, ένα σύστημα DNA δυσκολεύεται μερικές φορές να πραγματοποιήσει ακόμη και μία σε λίγες ώρες. Αυτή η διαφορά είναι αυτή που αποτρέπει, προς το παρόν, κάθε ευρεία χρήση.
Πολλά υποσχόμενες εφαρμογές: αποθήκευση δεδομένων και βιολογικός υπολογισμός
Παρά αυτή την αργή ταχύτητα, το DNA διατηρεί ένα πλεονέκτημα που λίγες τεχνολογίες μπορούν να διεκδικήσουν: φαινομενική πυκνότητα αποθήκευσης δεδομένων. Ένα γραμμάριο DNA θα μπορούσε θεωρητικά να περιέχει το ισοδύναμο αρκετών εκατοντάδων σκληρών δίσκων σήμερα. Για τον τεχνολογικό κλάδο, που αντιμετωπίζει μια έκρηξη του όγκου δεδομένων που πρέπει να αρχειοθετεί, αυτή η διαδρομή ενδιαφέρει πολύ, ειδικά για αποθήκευση πολύ μακρού χρόνου, όπου η ταχύτητα πρόσβασης δεν είναι προτεραιότητα.
Ο βιολογικός υπολογισμός, από την πλευρά του, στοχεύει σε άλλες χρήσεις από τον γρήγορο υπολογισμό της καθημερινής ζωής. Θα μπορούσε να χρησιμεύσει στην επίλυση σύνθετων προβλημάτων όπου η κλασική ηλεκτρονική φτάνει στα όρια της, ιδίως στην αναζήτηση συνδυασμών μεταξύ πολλών δυνατοτήτων. Τα μόρια DNA μπορούν να εξερευνήσουν πολλές λύσεις παράλληλα, στο ίδιο χημικό διάλυμα, το οποίο ανοίγει προοπτικές για ορισμένους πολύ ειδικούς υπολογισμούς στη βιολογία ή την κρυπτογραφία.
Είμαστε ακόμα μακριά από συνήθη οικιακή ή επαγγελματική χρήση. Οι ίδιοι οι ερευνητές παρουσιάζουν αυτά τα πρωτότυπα ως αποδείξεις έννοιας, όχι ως προϊόντα έτοιμα να αντικαταστήσουν έναν φορητό υπολογιστή ή έναν διακομιστή επιχείρησης.
Ζητήματα και προοπτικές για τον τεχνολογικό κλάδο
Το κύριο ενδιαφέρον αυτής της προσέγγισης έγκειται στην ενεργειακή της αποδοτικότητα. Καθώς η κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος των κέντρων δεδομένων γίνεται θέμα κύριας ανησυχίας, ένα σύστημα ικανό να υπολογίζει χωρίς ηλεκτρισμό αντιπροσωπεύει μια σοβαρή διαδρομή για το μέλλον, ακόμη κι αν παραμένει σε πρώιμο στάδιο σήμερα.
Ορισμένα εργαστήρια εξερευνούν ήδη διαδρομές για επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων που εμπλέκονται, βελτιστοποιώντας τη συγκέντρωση των μορίων ή αυτοματοποιώντας ορισμένα στάδια της διαδικασίας. Άλλα αναζητούν τον συνδυασμό DNA με κλασικά ηλεκτρονικά στοιχεία, δημιουργώντας υβριδικά συστήματα που θα επωφελούνταν τόσο από την πυκνότητα βιολογικής αποθήκευσης όσο και από την ταχύτητα της ηλεκτρονικής.
Η καινοτομία σε αυτόν τον τομέα προχωράει λοιπόν βήμα προς βήμα, κινούμενη από την επιστημονική περιέργεια περισσότερο παρά από άμεση βιομηχανική ζήτηση. Θα πάρει πιθανώς ακόμα πολλά χρόνια έρευνας προτού ένας βιολογικός υπολογιστής να γίνει μια αξιόπιστη εναλλακτική, ακόμη και μερική, στις τρέχουσες μηχανές μας. Προς το παρόν, η τεχνολογία γοητεύει κυρίως από αυτό που υπόσχεται, όχι από αυτό που πραγματοποιεί πραγματικά.
