محققان دانشگاه مینوث در ایرلند با الهام از فرایندهای شیمیایی موجود در حیات، روشی جدید برای انجام محاسبات توسعه داده‌اند که برخلاف رایانه‌های متداول، برای ادامه فرایند پردازش به مصرف مداوم انرژی نیاز ندارد.
به گزارش پایگاه خبری حکمرانی هوشمند، افزایش مصرف انرژی در صنعت رایانش و رشد تقاضای برق مراکز داده، پژوهشگران را به سمت توسعه فناوری‌های محاسباتی کم‌مصرف سوق داده است. برآوردها نشان می‌دهد تا سال ۲۰۵۰ حدود ۲۰ درصد از برق مصرفی بخش تجاری آمریکا ممکن است صرف پردازش داده شود. همچنین پیش‌بینی می‌شود تقاضای برق مراکز داده در سال‌های آینده افزایش چشمگیری داشته باشد.
در چنین شرایطی، محققان به سراغ یکی از کم‌مصرف‌ترین سامانه‌های پردازشی موجود در طبیعت یعنی فرایندهای زیستی رفته‌اند. پژوهشگران دانشگاه مینوث با استفاده از ویژگی‌های شیمیایی مولکول DNA، نوعی رایانه مولکولی طراحی کرده‌اند که می‌تواند بدون دریافت مداوم انرژی، به سمت یافتن پاسخ محاسباتی حرکت کند.
«دامیان وودز»، نویسنده ارشد این پژوهش، با اشاره به مصرف بالای انرژی در رایانه‌های مبتنی بر سیلیکون گفت: «رایانه‌های مبتنی بر سیلیکون انرژی زیادی مصرف می‌کنند و حدود ۲۳ درصد از برق ایرلند صرف رایانش و ذخیره‌سازی داده می‌شود.»
وی افزود: «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.»
استفاده از DNA به جای ترانزیستور
رایانه‌های امروزی برای پردازش اطلاعات به تعداد بسیار زیادی ترانزیستور متکی هستند. این قطعات داده‌ها را با حالت‌های روشن و خاموش نمایش می‌دهند و تغییر وضعیت آنها برای انجام محاسبات به انرژی الکتریکی نیاز دارد.
اگرچه انرژی مصرف‌شده برای تغییر وضعیت یک ترانزیستور بسیار ناچیز است، تعداد بسیار زیاد ترانزیستورها و سرعت بالای تغییر وضعیت آنها باعث می‌شود مصرف انرژی در مقیاس مراکز داده به مقدار قابل توجهی برسد.
پژوهشگران در روش جدید به جای استفاده از سوئیچ‌های الکترونیکی، از چهار واحد شیمیایی سازنده DNA برای رمزگذاری اطلاعات استفاده کرده‌اند. در این سامانه، محاسبات بر اساس تعامل میان توالی‌های DNA انجام می‌شود.
ایده استفاده از DNA برای رایانش موضوع تازه‌ای نیست. «لئونارد ادلمن»، دانشمند علوم رایانه در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، در دهه ۱۹۹۰ توانست مسئله معروف «فروشنده دوره‌گرد» را با استفاده از رشته‌های نوکلئوتیدی و روش‌های بیوشیمیایی حل کند. از آن زمان، پژوهشگران روش‌های مختلفی برای برنامه‌ریزی فرایندهای شیمیایی و استفاده از DNA در محاسبات توسعه داده‌اند.
با این حال، رایانش DNA با یک چالش مهم مواجه بوده است؛ این فناوری علاوه بر مصرف انرژی پایین باید از ثبات و قابلیت اطمینان مناسبی برخوردار باشد و برای رسیدن به پاسخ، نیازمند دخالت مداوم انسان یا تأمین پیوسته انرژی نباشد.
محاسبه با حرکت مولکول‌ها به سمت تعادل
تیم تحقیقاتی وودز برای حل این مشکل، روش متفاوتی را در پیش گرفت که بخشی از آن به فناوری «DNA اوریگامی» مربوط می‌شود. در این روش، به جای استفاده از رشته‌های ساده DNA و تکیه بر رقابت میان آنها، از ساختارهای پیچیده‌تر این مولکول استفاده می‌شود.
در فرایند طراحی‌شده، یک داربست اسید نوکلئیک همراه با بخش‌های کوتاه DNA در محلول نمکی و در دمای بالا ترکیب می‌شود. سپس با کاهش تدریجی دما، مولکول‌ها به سمت ساختارهایی حرکت می‌کنند که از نظر انرژی پایدارتر هستند. در نهایت، ساختار مولکولی شکل می‌گیرد که پاسخ مسئله محاسباتی را در خود جای داده است.
وودز درباره این فرایند توضیح داد: «مولکول‌ها با یکدیگر تعامل می‌کنند و ساختاری می‌سازند که همان ساختار، پاسخ است.»
وی یکی از مهمترین نوآوری‌های این روش را توانایی سامانه برای یافتن پاسخ بدون دریافت مداوم انرژی دانست و گفت: «یکی از نوآوری‌های کلیدی این روش آن است که سیستم می‌تواند به‌طور طبیعی و بدون نیاز به ورودی مداوم انرژی، پاسخ را پیدا کند.»
سرعت پایین، اما پردازش موازی
محققان برای ارزیابی عملکرد فناوری جدید، برنامه‌ها و محاسبات مختلفی را اجرا کردند که برخی از آنها تا ۱۰۰ بیت را شامل می‌شد. یکی از سریع‌ترین محاسبات انجام‌شده حدود ۳۰ ثانیه زمان برد؛ سرعتی که در مقایسه با رایانه‌های الکترونیکی امروزی بسیار پایین محسوب می‌شود.
با این حال، پژوهشگران معتقدند سرعت محاسبه تنها معیار ارزیابی این فناوری نیست. یکی از ویژگی‌های مهم رایانش DNA، قابلیت انجام محاسبات به شکل موازی است؛ به این معنا که حجم بسیار زیادی از محاسبات می‌تواند همزمان در مقدار بسیار کوچکی از یک محلول انجام شود.
DNA علاوه بر قابلیت پردازش اطلاعات، ظرفیت بسیار بالایی برای ذخیره‌سازی داده دارد. بر اساس برآوردهای ارائه‌شده، یک گرم DNA از نظر تئوری می‌تواند صدها میلیون گیگابایت داده را در خود ذخیره کند. این ویژگی می‌تواند امکان نگهداری حجم بسیار زیادی از اطلاعات را در فضایی بسیار کوچک فراهم کند.
پژوهشگران بر این باورند که ترکیب روش‌های کم‌مصرف ذخیره و بازیابی اطلاعات با شیوه‌های محاسباتی مبتنی بر ترمودینامیک می‌تواند مسیر تازه‌ای برای توسعه فناوری‌های محاسباتی کم‌مصرف ایجاد کند.
هرچند رایانش DNA در شرایط فعلی از نظر سرعت با رایانه‌های متداول قابل مقایسه نیست، قابلیت پردازش موازی، ظرفیت بالای ذخیره‌سازی و امکان انجام محاسبات بدون مصرف مداوم انرژی، آن را به گزینه‌ای قابل بررسی برای برخی کاربردهای تخصصی در آینده تبدیل کرده است.
انتهای پیام