Вычислительные

системы

нетрадиционной

архитектуры

Биологические компьютеры. ДНК- компьютеры

•ДНК-компьютер - в качестве основного элемента (процессора) используются молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты)

•ДНК процессор характеризуется структурой (структура молекулы ДНК) и набором команд (перечень биохимических операций с молекулами)

•Принцип устройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательном соединении четырех нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи) - три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют элементарную ячейку памяти - кодон, которые затем формируют цепь ДНК

Проблемы ДНК- компьютеров

•Проведение избирательных однокодонных реакций (взаимодействий) внутри цепи ДНК (есть экспериментальное оборудование, позволяющее работать с одним из 1020 кодонов или молекул ДНК)

•Самосборка ДНК, приводящая к потере информации(решение - ввод в клетку специальных ингибиторов - веществ, предотвращающих химическую реакцию самосшивки)

Теория и практика

•Теоретическое обоснование возможности использования молекул ДНК для организации вычислений было сделано

в 50-х годах прошлого века Р.П. Фейманом. В деталях теория была проработана в 70-х годах Ч. Бенеттом и в 80-

х М. Конрадом

•Первый компьютер на базе ДНК был создан в 1994 г. американским ученым Леонардом Адлеманом

•Ричард Липтон из Принстона первым показал, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать проблему удовлетворения логического выражения

•В 2001 г. Й. Шапиро удалось реализовать вычислительное устройство на основе ДНК, которое может работать почти без вмешательства человека - система имитирует машину Тьюринга - одну из фундаментальных концепций вычислительной техники

•Установка кодирует входные данные и программы в состоящих из двух цепей молекулах ДНК и смешивает их с двумя ферментами.

•Молекулы фермента выполняют роль аппаратного, а молекулы ДНК - программного обеспечения.

•Один фермент расщепляет молекулу ДНК с входными данными на отрезки разной длины в зависимости от содержащегося в ней кода.

•Другой рекомбинирует эти отрезки в соответствии с их кодом и кодом молекулы ДНК с программой.

•Процесс продолжается вдоль входной цепи, и, когда доходит до конца, получается выходная молекула, соответствующая конечному состоянию системы.

•Типичная скорость - от 500 до 1000 бит/с, НО допускается массовый параллелизм

•В 2002 г. Olympus Optical в сотрудничестве с А. Тояма впервые создали коммерческую версию ДНК- компьютера - генетический анализ

•Компьютер имеет молекулярную и электронную составляющие:

–первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений

–вторая - обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты

•Агентство передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA выполнило проект, получивший название Bio-Comp (Biological Computations, биологические вычисления)- цель - создание мощных вычислительных систем на основе ДНК

Биокомпьютинг. Клеточные компьютеры

•Клеточные компьютеры представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов, в геном которых удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества.

•Главным свойством клеточного компьютера является то, что каждая клетка представляет собой миниатюрную химическую лабораторию, и если биоорганизм запрограммирован, то он просто производит нужные вещества, и достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, а затем можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.

Проблемы клеточных

компьютеров

•Основная проблема - организация всех клеток в единую работающую систему

•В Массачусетском технологическом университете создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации

•Разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций

•В 2001 г. созданы трансгенные микроорганизмы, клетки которых могут выполнять логические операции И и ИЛИ.

Достоинства

биокомпьютеров

• Более простая технология изготовления, не требующая для своей реализации столь жестких условий, как при производстве полупроводников

• Использование не бинарного, а тернарного кода (информация кодируется тройками нуклеотидов), что позволит при меньшем количестве шагов перебрать большее число вариантов при анализе сложных систем

• Потенциально исключительно высокая производительность, которая может составлять до 1014 операций в секунду за счет одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК

• Возможность хранить данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков

• Исключительно низкое энергопотребление

Недостатки биокомпьютеров

•Сложность со считыванием результатов - современные способы определения кодирующей последовательности не совершенны, сложны, трудоемки и дороги.

•Низкая точность вычислений, связанная с возникновением мутаций, прилипанием молекул к стенкам сосудов и т.д.

•Невозможность длительного хранения результатов вычислений в связи с распадом ДНК в течение времени.