Біокомп’ютери - чи є перспективи

Версія для друку

Вже давно точаться розмови про швидке досягнення межі напівпровідникової технології виробництва обчислювальних пристроїв. Зменшення розміру компонентів інтегральної схеми до 80-120 нм призведе до появи ряду проблем, пов'язаних з фізичною природою напівпровідникових наночастинок. По-перше, концентрацію допіру напівпровідниковий кристал елементів вже не можна вважати однаковою в усьому обсязі. По-друге, різко збільшиться ймовірність тунельної електронної витоку (простіше кажучи, замикання) між компонентами інтегральної схеми. Наслідком цих двох причин стане зросла частка дефектних чіпів і недовговічність їх експлуатації (а, значить, і собівартість напівпровідникової продукції).

Бачачи настільки незавидні перспективи, багато відомих наукові інститути та компанії (а серед них такі монстри, як Массачусетський технологічний інститут, лабораторії Сандия, IBM, Оксфордський університет) шукають нові принципи, нові фізичні основи для створення більш ефективних, ніж напівпровідникові, "лічильних машин" . Причому немає гарантії, що нові пристрої, які прийшли на заміну комп'ютерів, що працюють на електричній енергії, будуть хоча б віддалено нагадувати своїх попередників.

Однією з альтернатив сучасної напівпровідниковій техніці в майбутньому можуть стати так звані біологічні комп'ютери, або біокомп'ютери. Біокомп'ютери представляють собою гібрид інформаційних технологій і біохімії. Дослідники з різних областей науки (біології, фізики, хімії, генетики, інформатики) намагаються використовувати реальні біологічні процеси для створення штучних обчислювальних схем. Існує кілька принципово різних типів біологічних комп'ютерів, заснованих на різних біологічних процесах: штучні нейронні ланцюги, еволюційне програмування, генні алгоритми, ДНК-комп'ютери і клітинні комп'ютери. Перші два стали досліджуватися ще на початку 40-х років, але до цих пір ці дослідження ні до чого реально працює не привели. Останні три, засновані на методах генної інженерії, мають набагато більші перспективи, але робота в цих областях почалася тільки п'ять років тому (особливо просунулися в цьому питанні Массачусетський технологічний інститут, лабораторії Берклі, лабораторії Рокфеллера, а також Техаський університет).

Перший лазер (спрямований аксіально на гідрогелевий зразок) ініціює фотохімічні реакції в молекулі і записує інформацію. Другий же, спрямований перпендикулярно, зчитує інформацію, записану на молекулах бактероіродопсіна, що знаходиться в обсязі гідрогелю.

Принцип пристрою комп'ютерної ДНК-пам'яті заснований на послідовному з'єднанні чотирьох нуклеотидів (основних цеглинок ДНК-ланцюги). Три нуклеотиду, з'єднуючись в будь-якій послідовності, утворюють елементарну комірку пам'яті - кодон, які потім формують ланцюг ДНК. Основні труднощі в розробці ДНК-комп'ютерів пов'язана з проведенням виборчих однокодонних реакцій (взаємодій) всередині ланцюга ДНК. Однак прогрес є вже і в цьому напрямку. Вже є експериментальне обладнання, що дозволяє працювати з одним з 10 20 кодонів або молекул ДНК. Іншою проблемою є самосборка ДНК, що призводить до втрати інформації. Її долають введенням в клітку спеціальних інгібіторів - речовин, що запобігають хімічну реакцію самосшівкі.

Іншим перспективним напрямком заміни напівпровідникових комп'ютерів є створення клітинних (бактеріальних) комп'ютерів. Вони являють собою самоорганізуються колонії різних "розумних" мікроорганізмів (дуже нагадує бджіл, які організовують впорядковану ієрархічну структуру всередині гнізда). Тобто грубо кажучи, стакан з бактеріями і буде комп'ютером. Ці комп'ютери дуже дешеві у виробництві. Їм не потрібна настільки стерильна атмосфера як при виробництві напівпровідників. І одного разу запрограмувавши клітку, можна швидко виростити мільйон таких же клітин з такою ж програмою.

За допомогою клітинних комп'ютерів стане можливим безпосереднє об'єднання інформаційної технології та біотехнології. Вони будуть керувати хімічним (біохімічним) заводом, вони будуть робити для вас сорт пива, запрограмований вами, регулювати біологічні процеси всередині вашого організму (наприклад, виробляти інсулін). Клітинні біокомп'ютери зможуть перевести обчислення на хімічну основу.

Основна проблема, з якою стикаються творці клітинних біокомп'ютерів, - організація всіх клітин в єдину працюючу систему. На сьогоднішній день практичні досягнення в області клітинних комп'ютерів нагадують досягнення 20-х років в області лампових і напівпровідникових комп'ютерів. Зараз в Лабораторії штучного інтелекту Массачусетського технологічного університету створена клітина, здатна зберігати на генетичному рівні 1 біт інформації. Також розробляються технології, що дозволяють одиничної бактерії відшукувати своїх сусідів, утворювати з ними впорядковану структуру і здійснювати масив паралельних операцій.

Як вже стало ясно шановному Новомосковсктелю, створення біокомп'ютерів дуже перспективно, але і дуже складно. Поки ніхто не може відповісти, що саме фізичний принцип замінить напівпровідникові технології (біокомп'ютери, квантові комп'ютери, оптичні комп'ютери або якісь ще). Але дослідження в області біокомп'ютерів все одно будуть тривати, оскільки отримані результати важливі не тільки для створення біокомп'ютерів, але і для всієї біохімії в цілому.