Молекулярный компьютер
Биомолекулярные вычисления или молекулярные компьютеры или даже ДНК- или РНК-вычисления — все эти термины появились на стыке таких различных наук как молекулярная генетика и вычислительная техника.
Биомолекулярные вычисления — это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК-вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
Основой всей системы хранения биологической информации, а стало быть, и ДНК-компьютеров, является способность атомов водорода, входящих в азотистые соединения (аденин, тимин, цитозин и гуанин), при определенных условиях притягиваться друг к другу, образуя невалентно связанные пары. С другой стороны, эти вещества могут валентно связываться с сочетаниями молекулы сахара (дезоксирибозы) и фосфата, образуя так называемые нуклеотиды. Нуклеотиды, в свою очередь, легко образуют полимеры длиной в десятки миллионов оснований. В этих супермолекулах фосфат и дезоксирибоза играют роль поддерживающей структуры (они чередуются в цепочке), а азотистые соединения кодируют информацию.
Молекула получается направленной: начинается с фосфатной группы и заканчивается дезоксирибозой. Длинные цепочки ДНК называют нитями, короткие — олигонуклеотидами. Каждой молекуле ДНК соответствует еще одна ДНК — так называемое дополнение Ватсона — Крика. Она имеет противоположную направленность, нежели оригинальная молекула. В результате притяжения аденина к тимину и цитозина к гуанину получается знаменитая двойная спираль, обеспечивающая возможность удвоения ДНК при размножении клетки. Задача удвоения решается с помощью специального белка-энзимы — полимеразы. Синтез начинается только если с ДНК прикреплен кусочек ее дополнения, Данное свойство активно используется в молекулярной биологии и молекулярных вычислениях. По сути своей полимераза — это реализация машины Тьюринга, состоящая из двух лент и программируемого пульта управления. Пульт считывает данные с одной ленты, обрабатывает их по некоторому алгоритму и записывает на другую ленту. Полимераза также последовательно считывает исходные данные с одной ленты (ДНК) и на их основе формирует ленту с результатам вычислений (дополнение Ватсона — Крика).
Математический аппарат, обеспечивающий моделирование ДНК-вычислителей в настоящее время разработан в основном на основе теории автоматов и теории формальных языков
XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2022
Компьютеры плотно укрепились в нашей жизни. Они присутствуют везде, начиная от телефонов и планшетов заканчивая супермаркетами и умными часами. Все они работают по одинаковому принципу: микропроцессор интерпретирует двоичный код, состоящий из нулей и единиц. Это аналогично чтению: процессор считывает слово за словом, инструкцию за инструкцией пока не поймет, что делать, а затем исполняет это и переходит к следующему шагу. Компьютеры, выполняющие по одной инструкции за раз, называются классическими.
Отрисовка буквы «Т» микропроцессором 1
При открытии нескольких программ одновременно процессор все равно будет продолжать считывать по одному набору инструкций за раз, но переключаться между этими наборами очень быстро. Примерно со скоростью 2,5 миллиарда раз в секунду для одноядерного однопоточного процессора, работающего на частоте 2,5 ГГц. Это позволяет создать видимость многозадачности процессора.
Такой мощности хватает для повседневных задач, но существуют задачи, для решения которых необходимо решать параллельно, например решения сложных уравнений по криптографии или симуляции явлений нашего мира. Такие задачи можно описать и классифицировать, как требующие экспоненциально все больше времени на решения с возрастанием сложности. Классические компьютеры не могут хорошо справляться с такими типами задачам.
Частично проблема последовательного выполнения инструкций решается путем, объединения множества классических компьютеров в один. Такой компьютер называется суперкомпьютером, он на самом деле может решать множество задач одновременно, но все еще не параллельно.
Необходимые параллельные вычисления позволяет выполнять квантовый компьютер. Однако у такого решения есть недостатки, практичность квантовых компьютеров с точки зрения производства и эксплуатации вызывает сложности. Например, для работы квантовому компьютеру необходима температура очень близкая к абсолютному нулю чтобы работать. Эта проблема может быть решена в будущем, но в современных реалиях такое реализовать невозможно.
Как альтернативу квантовому компьютеру можно рассмотреть биокомпьютер как было выяснено в исследовании, опубликованном в журнале PNAS 2 проведенным Лундским университетом в Швеции. Метод биокомопьютинга потребляет меньше 1% от той энергии, что потребляют сегодняшние электронные транзисторы, в результате можно получить мощность современных суперкомпьютеров умещенные в ноутбуке и без абсурдных энергозатрат и тепловыделения.
Для сравнения, в суперкомпьютере от IBM Watson в котором компания объединила 128 компьютеров потребление энергии составляет 7680 Вт. 5
Суперкомпьютер IBM Watson 6
Производители микропроцессоров для увеличения мощности стараются уместить большее число транзисторов на меньшей площади, для того чтобы они обменивались быстрее сигналами. Аналогичной функцией в биологическом компьютере занимается белок миозина – составной элемента мышечной ткани. Миозин можно представить в виде крошечных молекулярных двигателей, преобразующих химическую энергию в механическую. Биокомпьютер использует миозин чтобы направлять белковые нити вдоль искусственных дорожек.
Визуализация принципа работы сети нано каналов
по которым движутся белковые нити 3
Исследователь Хайнер Линки объясняет: «биокомпьютер включает в себя построение сети нано каналов, которые обеспечивают определенную регуляцию потока белковых нитей. В результате поиска своего пути белок движется по сети проходя один за другим каналы сверху вниз тем самым выполняя операции аналогичные операциям сложения. Если использовать достаточное количество агентов, можно исследовать все возможные пути и как следствие получить все возможные результаты, соответствующие решению математического уравнения»
В результате вместо множества компьютеров соединенных между собой для выполнения множественных одновременных вычислений можно будет использовать нано размерный молекулярный мотор, направляющий молекулы белка. Каждая биомолекула будет действовать, как если бы это был отдельный маленький компьютер с индивидуальным процессором и памятью. Эта разработка поможет создать гораздо меньшие по размеру и более мощные компьютеры. Такая компьютерная система гораздо проще и дешевле в производстве чем квантовый компьютер в основном за счет того, что основные компоненты такого компьютера распространены в природе.
Команда исследователей утверждает, что биологический суперкомпьютер в десятилетие от производства: «тот факт, что молекулы очень дешевы и что нам удалось продемонстрировать работоспособность биокомпьютерных вычислений заставляет меня поверить, что биокомпьютер и имеют предпосылки для практического использования в течение десяти лет».
Биокомпьютер в действии: молекулы белка ищут путь к решению задачи, которая изображена в нижней части монитора 4
Числа внизу показывают полученные решения уравнения, система находит множество решений одновременно. На исследования эта система выглядит медленно и примитивно, было доказательством концепта. Шведские ученые доказали, что идея работает это позволяет исследователям получить достаточно данных, чтобы убедиться, что это жизнеспособная альтернатива квантовым компьютерам. Они доказатели работоспособность концепта практичной легкой в производстве требующий гораздо меньше энергии и недорогой параллельной вычислительной системы.
Белковые биокомпьютеры пока ограничены в своих возможностях, но ученые, принимающие участие в этой работе, утверждают, что достижение универсальности вполне реально. Таким образом, вполне возможно, в не столь отдаленном будущем появятся подобные устройства, способные решать более сложные задачи.
Такие компьютеры может и не станут эффективнее квантового компьютера, но могут стать хорошей альтернативой маленького портативного устройства мощнее всех существующих электрических микропроцессоров.
Список литературы
https :// domipheus . com / blog / designing — a — cpu — in — vhdl — part -12- text — mode — video — output /
https :// www . pnas . org / content /113/10/2591
https :// canaltech . com . br / ciencia / vem — ai — o — primeiro — biocomputador — do — mundo — conheca — o — projeto -93566/
Что такое молекулярный компьютер
Основное отличие молекулярного компьютера от классического заключается в способе обработки данных. Если в традиционных системах единицей данных является бит, то в молекулярных компьютерах ей является какая-либо молекула. И если бит имеет лишь 2 состояния — единицу и ноль, то молекула, в отличие от него, может находиться в двух этих состояниях. Когда бит может иметь информацию (единица) или не иметь ее (ноль), молекула может иметь множество таких позиций, так как она способна одновременно взаимодействовать со множеством других молекул и в рамках каждого взаимодействия результат будет разным. Грубо говоря, молекула может одновременно иметь как несколько «единиц», так и несколько «нолей». Это значительно ускоряет вычисления. Но есть одна проблема: теплоперенос.
«Тепло — это огромная проблема молекулярных компьютеров, потому что взаимодействие в таких системах — это цепочки атомов. Когда молекула нагревается, атомы очень быстро вибрируют, и цепь может порваться», — говорит один из авторов работы профессор Университета штата Мичиган Эдгар Мейхофер.
Assembler: какие команды?
Команд 64, из них:
Кодируют информацию по сборке: 61 (однако их действия дублируются)
Управляющие: 3 (условная остановка:UAG, UGA, обязательная остановка UAA),
Зарезервировано: примерно 41 можно использовать не по назначению, если немного изменить процессор (см. неканонические кодоны).
Выше был рассмотрен код в виде «ассемблера», а теперь рассмотрим в виде языка сверх-высокого уровня. Выяснилось, что каждый ген отвечает за какую-то конкретную функцию, или набор функций.
У многоклеточных организмов есть гены, отвечающие за построение конкретных систем у живых организмов, таких как глаза, лапы и т. д. Есть гены, отвечающие за построение сегментов: голова, туловище, хвост.
Изменение в генах, отвечающих за внутреннее строение глаза повлияет лишь на его внутренне строение, а изменение гена, отвечающего за расположение глаза приведёт к тому, что глаза будут у организма, но расти они будут из других мест. Если убрать ген, отвечающий за расположение глаз, то они не вырастут.
Примечательно то, что эти «блоки» (гены) взаимозаменяемы у большинства живых организмов. Так, учёные провели опыт: у мушек-дрозофилл удалили ген, отвечающий за расположение глаз — новые мушки появились безглазыми. В следующее поколение мушек вставили ген, отвечающий за положение глаз, который взяли у мышей, и у мушек появились глаза, мушиные а не мышиные.
Похоже многие гены одинаковые для большинства живых организмов, и главное — взаимозаменяемы!
Молекулярная электроника. Молекулярный компьютер. Направления исследований.
Молекулярный компьютер-это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, работают молекулы и молекулярные ансамбли. „Интеллектуальные молекулы“ могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, хим. агентов, электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.
Переключение между этими состояниями под влиянием внешних воздействий (свет, электрические сигналы, магнитное поле, химическая реакция) в терминах информатики соответствует переключению между состояниями ноль и единица – процессу, на котором основана вся компьютерная технология.
Молекулярная электроника — это смесь электроники и биохимии.
Используя электрическое поле, можно изменять молекулярную структуру и возбуждать электронную проводимость.
В качестве рабочих веществ для создания электронных структур ученые предлагают использовать:
1. неорганические вещества;
2. органические (небиологические) соединения;
3. органические вещества биологического происхождения (белки).
Программы исследований в этой области на сегодняшний день направлены на создание следующих молекулярных аналогов электронных вычислительных машин:
1.Создание молекулярных аналогов твердотельных микроэлектронных приборов. Основная задача: на основе молекулярных структур осуществить функции элементарных микросхем.
2. Создание молекулярных цепей и молекулярных ассоциаций, выполняющих функции логики, хранения и передачи информации;
3. Создание биологических функциональных молекул методами генной инженерии.
Бистабильные молекулы — переключатели, будут управляться световыми и электрическими импульсами или электрохимическими реакциями.
Память может работать на принципе „запоминания“ оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряжённые полимеры.
Второе из указанных направлений предполагает создание законченных молекулярных СБИС посредством самосборки фрагмента, то есть путем последовательного наращивания необходимой молекулярной последовательности.
Механизмы функционирования элементов молекулярной электроники прежде всего определяются переносом электронов и протонов , перегруппировкой валентных связей и перестройкой групп молекул.
Очень важным свойством молекул является их способность преобразовывать одну энергию в другую с очень высоким КПД.
Память молекулярного компьютера будет основана на тех же принципах, что и переключатели, в её основе — бистабильные молекулярные структуры и их же превращения.
В настоящее время применяют магнитные и оптические носители памяти, которые основаны на принципе двумерной записи, и это ограничивает объёмы записываемой информации. Предполагают, что в молекулярных компьютерах можно будет записывать оптическую информацию в полном объёме — то есть память станет трёхмерной.
Чтобы записать информацию в объёме образца или, по крайней мере, на нескольких его слоях, нужна новая система записи. Для этого используют метод двухфотонного поглощения.
Суть метода в том, что необходимая для записи энергия (hv) доставляется двумя фокусируемыми в нужной точке лазерными пучками с частотами v1 и v2, подобранными так, чтобы hv = hv1 + hv2.
Другой перспективный подход к созданию молекулярной памяти продемонстрировали М. и Д. Тур. Они сделали сандвич примерно из 1000 молекул ароматического дитиола и поместили его между золотыми электродами . При определённом напряжении, поданном на электроды, этот сандвич удерживает электроны (то есть хранит данное состояние в памяти) в течение примерно 10 минут
Первым технически реализованным устройством оптической молекулярной памяти были многослойные люминесцентные диски на базе созданных в России соединений.
Третий компонент молекулярных компьютеров — проводники, обеспечивающие сообщение между молекулярными транзисторами и молекулярными устройствами памяти.
Молекулярные транзисторы, память и проводники — три составные части будущего молекулярного компьютера. Для получения дальнейших результатов необходимо работать на синергетическом стыке химии, физики, биологии, микроинженерии. Учёные считают, что молекулярные компьютеры будут созданы к 2020–2030 году.
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 216; Нарушение авторского права страницы
lektsia.com 2007 — 2022 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.016 с.) Главная | Обратная связь
Преимущества
Производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы. На
процессорном чипе современного компьютера расположено до ста миллионов транзисторов, и намного больше разместить уже вряд ли удастся, поскольку доведённые до совершенства технологии их производства достигли своего пика
Критический элемент кремниевого транзистора, из-за которого нельзя сделать его намного меньше, — толщина изолирующего слоя оксида
кремния между затвором и проводящим слоем. Современные технологии уже позволяют сделать его толщиной 0,13 микрон (130 нм), что соответствует примерно 1/1000 толщины человеческого волоса.Несмотря на то что технологии производства изолирующего слоя оксида кремния совершенствуются и он становится тоньше, у него существует физический предел — не более 4–5 молекул (1,5–2 нм).
