به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از نیواطلس، رایانش به منبع انرژی قابلتوجهی نیاز دارد. برآوردها نشان میدهد تا سال ۲۰۵۰ میلادی، حدود ۲۰ درصد از برق مصرفی بخش تجاری آمریکا صرف پردازش خواهد شد. همچنین انتظار میرود تقاضای برق مراکز داده در چند سال آینده دو برابر شود؛ به همین دلیل، یافتن سیستمهای رایانشی کارآمدتر به اولویتی فزاینده تبدیل شده است.
در این میان، یافتن راهحل در بدن انسان ممکن است ایدهای عجیب به نظر برسد، اما طبیعت طی میلیاردها سال روشهایی برای انجام فعالیتهای پیچیده با مصرف انرژی بسیار اندک ایجاد کرده است. در همین راستا، محققان دانشگاه مینوث در ایرلند از فرایندهای شیمیایی حیات برای توسعه نوع جدیدی از رایانه استفاده کردهاند که برای انجام محاسبات به مصرف مداوم انرژی نیاز ندارد.
«دامیان وودز»، نویسنده ارشد این پژوهش، میگوید: «رایانههای مبتنی بر سیلیکون انرژی زیادی مصرف میکنند و حدود ۲۳ درصد از برق ایرلند صرف رایانش و ذخیرهسازی داده میشود. ما با دیدن تنها یک نوع رایانه دچار کوتهبینی شدهایم، در حالی که نمونههای دیگری نیز در اطراف ما وجود دارند؛ از جمله مغز انسان.»
تمام رایانههای امروزی بهطور گسترده به سوئیچهایی موسوم به ترانزیستور متکی هستند که دادهها را در قالب وضعیتهای روشن و خاموش نگه میدارند. تغییر این وضعیتها برای انجام حتی سادهترین محاسبات به مقدار اندکی انرژی الکتریکی نیاز دارد.
هرچند میزان انرژی مورد نیاز هر تغییر بسیار کم است، این مصرف در مقیاس بزرگ به سرعت افزایش مییابد؛ زیرا میلیاردها ترانزیستور میتوانند میلیاردها بار در ثانیه وضعیت خود را تغییر دهند.
چهار واحد شیمیایی سازنده رشته DNA نیز اطلاعاتی را رمزگذاری میکنند که میتوان از آنها بهعنوان مبنایی برای محاسبات الگوریتمی استفاده کرد. در این روش، فرایند رایانش به جای سوئیچهای الکترونیکی، بر تعامل و رقابت میان توالیهای DNA متکی است.
رایانش DNA بهخودیخود فناوری کاملاً جدیدی نیست. «لئونارد ادلمن»، دانشمند علوم رایانه در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، در دهه ۱۹۹۰ مسئله مشهور «فروشنده دورهگرد» را تنها با استفاده از رشتههای نوکلئوتیدی و روشهای بیوشیمیایی حل کرد. از آن زمان تاکنون، پژوهشگران روشهای مختلفی برای برنامهریزی دستورهای شیمیایی و استفاده از آنها در طیف گستردهای از کاربردهای رایانشی توسعه دادهاند.
با این حال، یکی از چالشهای باقیمانده این بود که رایانههای DNA علاوه بر مصرف انرژی پایین، باید از ثبات و قابلیت اطمینان کافی برخوردار باشند و برای رسیدن به پاسخ، به دخالت و دستکاری مداوم نیاز نداشته باشند.
تیم وودز برای حل این مشکل رویکرد متفاوتی را در پیش گرفت. این روش تا حدی به ظهور فناوری «DNA اوریگامی» مرتبط است و به جای تکیه بر رقابت میان رشتههای ساده DNA، از ساختارهای پیچیدهتر DNA استفاده میکند. در این فرایند، یک داربست اسید نوکلئیک با بخشهای کوتاه DNA در محلول نمکی و در دمای بالا ترکیب میشود. با سرد شدن تدریجی این ترکیب، مولکولها به سمت ساختارهایی با پایینترین سطح انرژی حرکت میکنند و در نهایت، ساختاری شکل میگیرد که پاسخ محاسباتی را در خود دارد.
وودز در این باره میگوید: «مولکولها با یکدیگر تعامل میکنند و ساختاری میسازند که همان ساختار، پاسخ است. یکی از نوآوریهای کلیدی این روش آن است که سیستم میتواند بهطور طبیعی و بدون نیاز به ورودی مداوم انرژی، پاسخ را پیدا کند.»
محققان برای آزمایش این روش، برنامههای مختلفی را اجرا کردند که برخی از آنها شامل محاسباتی تا ۱۰۰ بیت بود. یکی از سریعترین محاسبات حدود ۳۰ ثانیه زمان برد. این سرعت در مقایسه با رایانههای امروزی بسیار پایین است و حتی میتوان گفت در برخی محاسبات، یک دانشآموز میتواند سریعتر عمل کند. با این حال، سرعت پردازش در این فناوری تنها معیار ارزیابی نیست؛ رایانش DNA بهصورت موازی انجام میشود و میتواند حجم عظیمی از محاسبات را در یک قطره مایع جای دهد.
DNA علاوه بر انجام محاسبات، ظرفیت چشمگیری برای ذخیرهسازی مطمئن حجم عظیمی از دادهها دارد و میتواند اطلاعات را در مخزنی بسیار پایدار نگهداری کند. تنها یک گرم DNA میتواند صدها میلیون گیگابایت داده را در خود جای دهد. این ظرفیت به این معناست که حجم عظیمی از دادههایی که هر سال تولید و انباشته میشوند، از نظر تئوری میتوانند در فضایی بسیار کوچک ذخیره شوند.
با ترکیب روشهای کممصرف برای ذخیرهسازی و بازیابی دادهها با شیوههای ترمودینامیکی بهینه برای انجام محاسبات تخصصی، رایانش DNA میتواند مسیر تازهای برای توسعه فناوریهای محاسباتی کممصرف ایجاد کند؛ فناوریهایی که برخلاف مراکز داده امروزی، برای انجام بخشی از پردازشها و ذخیرهسازی دادهها به انرژی بسیار کمتری نیاز دارند.
