Riassunto:
I ricercatori della Maynooth University in Irlanda hanno sviluppato un nuovo tipo di computer a DNA in grado di utilizzare le reazioni chimiche naturali delle molecole di DNA in soluzioni saline per completare calcoli senza il consumo continuo di elettricità come i tradizionali computer elettronici. Il gruppo di ricerca ha affermato che questo metodo consente per la prima volta il calcolo del DNA senza alimentazione esterna continua e raggiunge la velocità di calcolo più veloce nei sistemi di calcolo del DNA esistenti.
Con la rapida espansione dell'intelligenza artificiale e dei data center, il consumo energetico delle apparecchiature informatiche sta diventando una questione sempre più importante. I ricercatori prevedono che entro il 2050, fino al 20% dell’elettricità consumata dal settore commerciale statunitense potrà essere utilizzata per l’informatica, e la domanda di energia dei data center potrebbe raddoppiare nei prossimi anni. In questo contesto, come ridurre la domanda di energia del processo informatico stesso è diventata una direzione importante per i ricercatori nella ricerca di nuove architetture informatiche.
Damien Woods, scienziato informatico presso la Maynooth University e autore senior dello studio, ha affermato che le persone sono attualmente abituate a considerare i computer come dispositivi composti da chip e transistor di silicio, ma la natura ha in realtà sviluppato molti meccanismi informatici in grado di completare compiti complessi con un consumo energetico estremamente basso, e il cervello umano ne è un esempio. I ricercatori sperano quindi di trovare metodi di calcolo della chimica della vita diversi dai tradizionali calcoli elettronici.
I computer elettronici moderni si basano quasi tutti sui transistor come interruttori di base, che rappresentano i dati attraverso due stati: "acceso" e "spento". Ogni volta che un transistor cambia stato, consuma una piccola quantità di energia e quando miliardi o addirittura trilioni di transistor commutano costantemente a frequenze estremamente elevate, questi piccoli consumi alla fine si sommano a enormi requisiti energetici.
Il DNA memorizza ed elabora le informazioni in un modo completamente diverso. Le quattro basi chimiche che compongono una catena di DNA possono codificare le informazioni in diverse disposizioni, quindi la molecola di DNA stessa può teoricamente essere utilizzata come mezzo informatico. A differenza dei computer elettronici che cambiano stato attraverso transistor, il calcolo del DNA può sfruttare le interazioni chimiche tra diverse sequenze di DNA per eseguire algoritmi.
Il calcolo del DNA non è un concetto nuovo. Già negli anni Novanta Leonard Adleman, informatico della University of Southern California, utilizzò molecole di DNA e reazioni biochimiche per risolvere il famoso “problema del commesso viaggiatore”, dimostrando che il DNA può essere utilizzato per eseguire calcoli. Da allora, i ricercatori hanno continuato a sviluppare nuovi algoritmi molecolari, sperando di consentire al DNA di assumere più funzioni dei computer tradizionali.
Tuttavia, c'è sempre stata una questione chiave nel calcolo del DNA, ovvero come fare in modo che il sistema abbia un basso consumo energetico, stabilità e affidabilità allo stesso tempo e non richieda un intervento manuale continuo da parte dei ricercatori durante il processo di calcolo. Molti metodi tradizionali di calcolo del DNA richiedono l’aggiunta costante di reagenti o la fornitura di energia aggiuntiva per consentire alle reazioni chimiche di procedere come previsto.
Il team di Woods ha adottato un approccio diverso, più vicino alla tecnologia degli origami del DNA emersa negli ultimi anni, piuttosto che mettere l'uno contro l'altro un gran numero di semplici filamenti di DNA per trovare la risposta.
I ricercatori hanno prima utilizzato una "impalcatura" di acido nucleico più lunga, quindi hanno aggiunto un gran numero di frammenti di DNA più corti e li hanno posti in una soluzione salina calda. Man mano che la soluzione si raffredda gradualmente, le molecole di DNA interagiscono e si formano in strutture più stabili. La struttura risultante stessa è la risposta al problema computazionale.
In questo sistema, le molecole interagiscono e formano una struttura, e questa struttura è il risultato dei calcoli, ha spiegato Woods. La caratteristica più critica dell’intero processo è che il sistema può evolversi naturalmente allo stato energetico più basso, quindi non è necessario un input continuo di energia esterna per guidare il calcolo.
In altre parole, questo tipo di computer a DNA non consuma continuamente elettricità per consentire ai transistor di commutare ad alta velocità. Invece, consente al sistema molecolare di trovare da solo uno stato energetico più basso, più stabile, e utilizza come risultato la struttura molecolare finale.
I ricercatori hanno utilizzato questo metodo per eseguire una varietà di programmi diversi, alcuni con calcoli fino a 100 bit. Gli esperimenti hanno dimostrato che questo sistema può effettivamente completare calcoli matematici preimpostati senza la necessità di una fornitura continua di elettricità.
Tuttavia, se si considera solo la singola velocità di calcolo, esiste ancora un enorme divario tra questa e i tradizionali computer basati su silicio. Ad esempio, uno dei calcoli più veloci dell'esperimento è stato quello di sommare 3 e 10, e anche in questo caso ci sono voluti circa 30 secondi per ottenere il risultato. Per i normali computer elettronici questa velocità è quasi trascurabile.
Ma i ricercatori hanno sottolineato che il valore del calcolo del DNA non risiede nel competere con la CPU per la singola velocità di calcolo. Le molecole di DNA possono eseguire reazioni chimiche altamente parallele e un gran numero di calcoli diversi possono essere eseguiti simultaneamente nello stesso minuscolo sistema di reazione. Pertanto, questo tipo di computer è più adatto a gestire alcuni problemi che possono essere suddivisi in un gran numero di attività parallele.
Abeer Eshra, uno dei co-primi autori dell'articolo, ha affermato che questa reazione può avvenire rapidamente in una provetta. Sebbene la velocità sia ancora molto inferiore a quella di un computer basato sul silicio, rispetto ad altri sistemi di calcolo del DNA, questo metodo è attualmente la soluzione più veloce.
Il DNA presenta anche un vantaggio che i computer elettronici tradizionali non possono eguagliare, ovvero la sua densità di archiviazione dei dati estremamente elevata. Teoricamente, un grammo di DNA può immagazzinare centinaia di milioni di gigabyte di dati, il che significa che in futuro una grande quantità di informazioni digitali umane potrebbe persino essere compressa in uno spazio fisico molto piccolo.
Se si combina l'altissima densità di archiviazione del DNA con la tecnologia di lettura e scrittura dei dati a bassa energia, e quindi si utilizzano meccanismi di calcolo molecolare che tendono naturalmente a stati di bassa energia per eseguire compiti specifici, è possibile formare un sistema di elaborazione dati completamente diverso dai tradizionali computer elettronici.
Questo metodo di calcolo è particolarmente adatto per scenari che non richiedono un'elaborazione in tempo reale ad alta velocità, ma richiedono l'archiviazione e l'elaborazione a lungo termine di enormi quantità di informazioni. Rispetto ai tradizionali dischi rigidi, unità a stato solido e data center, il DNA può archiviare informazioni a densità estremamente elevate e rimanere stabile per lunghi periodi di tempo in condizioni adeguate.
I ricercatori ritengono che la memorizzazione del DNA e l'elaborazione del DNA potrebbero essere ulteriormente integrati in futuro, rendendo il DNA non solo un "disco rigido molecolare" ma anche in grado di calcolare direttamente i dati in esso memorizzati senza dover prima convertire tutte le informazioni in segnali elettronici.
This means that future data centers may not necessarily need to be composed of large numbers of high-speed chips and storage devices. In alcune applicazioni specifiche, le molecole di DNA progettate possono svolgere contemporaneamente attività di archiviazione e calcolo dei dati e produrre direttamente risultati attraverso reazioni chimiche.
Of course, this technology is still in the very early stages of research. The speed of completing a simple addition in 30 seconds is obviously not comparable to modern CPUs, GPUs and even microcontrollers. Nelle applicazioni pratiche, il calcolo del DNA deve anche risolvere molti problemi come la scala di calcolo, la lettura dei risultati, il controllo della reazione chimica, l'affidabilità e la produzione in lotti.
L'importanza di questa ricerca non significa quindi che i tradizionali computer elettronici saranno presto sostituiti dal DNA, ma dimostra che l'informatica non richiede necessariamente un consumo continuo di energia elettrica. The researchers demonstrated an entirely different computing paradigm by letting a molecular system evolve on its own to a stable state.
Poiché l'intelligenza artificiale, il cloud computing e i data center continuano ad aumentare il consumo energetico globale, questo tipo di metodo di calcolo che consuma pochissima energia o addirittura non richiede un'alimentazione continua potrebbe gradualmente guadagnare più attenzione. In futuro, il calcolo del DNA potrebbe non diventare un sostituto dei computer generici, ma in aree quali algoritmi specifici, elaborazione massiccia di informazioni e archiviazione di dati a lungo termine, potrebbe sviluppare vantaggi difficili da replicare per i computer elettronici.
Commenti