Superkomputery są używane w armii, badaniach naukowych i biznesie. Gdyby nie ich moc obliczeniowa nie byłyby możliwe symulacje astrofizyczne, biochemiczne, hydrologiczne i aerodynamiczne. To superkomputerom zawdzięczamy badania dotyczące teorii liczb i algebry liniowej. Zestawienie najszybszych komputerów na dzień dzisiejszy wygląda następująco:
- Titan Cray XK47, należący do USA (17.59 PETAFLOPSÓW)
- Sequoia BlueGene/Q, należący do USA (16.33 PETAFLOPSÓW)
- Fujitsu's K, należący do Japonii (10.51 PETAFLOPSÓW
- The Mira BlueGene/Q, należący do USA(8.16 PETAFLOPSÓW)
- The JUQUEEN BlueGene/Q, należący do Niemiec (4.14 PETAFLOPSÓW)
Rys.1 Superkomputer Titan Cray XK47
FLOPS to jednostka mocy obliczeniowej komputerów, oznaczająca liczbę operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę (FLoating point Operations Per Second). PETAFLOPS to po prostu 1015 FLOPSÓW.
Najnowszymi pretendentami w wyścigu są dwa z nich; Tytan (USA) i Sequoia BlueGene (USA). Sequoia ma więcej rdzeni, natomiast Tytan korzysta z supernowoczesnych chipsetów Nvidia. Posługując się tą samą technologią, będzie można będzie stworzyć 1000 krotnie wydajniejsze systemy komputerowe niż obecnie. Dla porównania Polski super komputer Zeus, wykonuje tylko 0,234 PETAFLOPSA operacji na sekundę, zajmując w ten sposób 106 miejsce na liście superkomputerów prowadzonej przez portal top500.org.
Jakie jest miejsce komputerów DNA w tym wyścigu? Przy obecnej technologii, około 1018 cząsteczek DNA może być zsyntezowanych i umieszczonych w specjalnej eksperymentalnej tubie, stanowiącej główne centrum obliczeniowe komputera DNA. W tubie tej zachodzą procesy biochemiczne symulujące zachowanie bramek logicznych komputerów krzemowych. Nici DNA łączą się lub wymieniają fragmentami z pomocą enzymów. Nowa cząsteczka, która powstaje w ten sposób jest „wynikiem”, który może być dalej obrabiany przez inne bramki logiczne. Biorąc pod uwagę, jaką ilość DNA można umieścić w tubie eksperymentalnej, istnieje możliwość stworzenia procesora wykonującego 1018 operacji równolegle. Jedynym problemem komputerów DNA, jest ich zawodność. Obliczenia, które wykonują są obarczone wysokim współczynnikiem błędu. Dzieje się tak, ponieważ brakuje nam narzędzi do ścisłej kontroli procesów zachodzących w probówce. Nie mniej w ciągu ostatniego roku dokonały się postępy w tej dziedzinie.
Ścisła kontrola
Dr Alex Deiters, profesor chemii na uniwersytecie Nowej Karoliny, opracował metodę sterowania bramkami logicznymi wewnątrz komputerów DNA. Bramki te skonstruowane są poprzez łączenie różnych nici DNA, a nie w serii tranzystorów. Zestawy bramek połączone są ze sobą w specyficzny sposób, umożliwia to komputerowi wykonanie zadań, takich jak dodawanie lub odejmowanie. Niestety sekwencja zdarzeń obliczeniowych jest trudna w kontroli w wymiarze przestrzennym i czasowym.
Naukowcy z Stanowego Uniwersytetu Północnej Karoliny odkryli, że można kontrolować bramki za pomocą promieniowania ultrafioletowego (UV). Prof. Deiters z powodzeniem aktywował kilka różnych nukleotydów w bramce logicznej „ORAZ”. Zastosowanie światła UV spowodowało fotoaktywację bramki i pozwoliło jej zakończyć wydarzenie obliczeniowe. Deiters ma nadzieję, że zastosowanie światła da naukowcom możliwość nie tylko do tworzenia bardziej skomplikowanych i usystematyzowanych obliczeń, ale również do tworzenia interfejsów pomiędzy komputerami krzemowym i DNA. Teoretycznie strumień danych z komputera krzemowego można przekształcić w świetlny kod aktywujący bramki komputera DNA.
Komputer w kropelkach
Metoda sterowania bramkami logicznymi za pomocą światła przyczyniła się do opracowania innej przełomowej technologii. Prof. Takahiro Nishimura zaproponował zmianę przestrzeni operacyjnej komputera DNA z probówki eksperymentalnej na mikrokropelkę. Mikroskopijnej wielkości krople składają się z wrażliwego na światło płynu i zawieszonych w nim cząsteczek DNA. Część kropli zawiera bramki logiczne, część zaś molekuły wsadowe (zawierające dane potrzebne do obliczeń). Aktywacja światłem powoduje połączenie się kropli, co daje prawie całkowitą kontrolę nad kolejnością i specyficznością wykonywania operacji komputerowych. Proces obliczeniowy ulega skróceniu i nie jest obarczony dużym ryzykiem błędu. Dzięki tej metodzie można zaplanować duże obliczenia i perfekcyjnie je wykonać. Naukowcy są w stanie zsyntezować naprawdę małe kropelki, powodując miniaturyzacje obwodów DNA, co pozwoli zastosować je w urządzeniach elektronicznych, np.: jako sensory.
Rys.2 Schemat działania biosensorów DNA
Szybki odczyt informacji
Naukowcom pod kierownictwem Nicka Goldmana z Instytutu Bioinformatyki w Hinxton udało się utrwalić w DNA zapis dźwiękowy przemówienia „Mam marzenie” Martina Luthera Kinga. Udało im się odzyskać zapisane dane w 99,99% procentach. Opis eksperymentu został opublikowany 23 stycznia 2013 r. w czasopiśmie Nature.
Program komputerowy zamienił rząd zer i jedynek na poszczególne zestawy nukleotydów, zasadom T i G przypisano cyfrę 1, a zasadom A i C cyfrę 0. Zsyntezowana nić DNA zawierająca nukleotydy w odpowiedniej sekwencji została pocięta na 150000 fragmentów po 120 nukleotydów każdy. Sto z 120 nukleotydów zawierało zakodowaną informację, 20 pozostałych zawierało informacje o kolejności odczytu fragmentów. Następnie użyto sekwencjonowania, aby odczytać poszczególne nukleotydy. Program komputerowy umożliwił poskładanie fragmentów DNA w odpowiedniej kolejności i następnie zinterpretował je, jako ciąg zer i jedynek. Gdy plik był gotowy, odtworzono go i okazało się, że brzmiał on jak oryginalna wersja. Podobne rezultaty otrzymano w przypadku zapisu 154 sonetów Shakespeara oraz artykułu naukowego F. Cricka i J. Watsona „Podwójna helisa” opisującego budowę cząsteczki DNA.
Metoda ta umożliwia zautomatyzowany zapis i odczyt informacji, niestety na obecnym etapie rozwoju jest jeszcze za bardzo kosztowna i niestety dosyć powolna.
Jeszcze więcej informacji
Metody zapisu odczytu i zapisu danych to nie jedyny problem, z jakim zmagają się naukowcy. Gęstość upakowania danych jest kluczowa dla komputerów DNA. W sierpniu 2012 r. naukowcy z Harvardu zapisali 700 Terabajtów danych w jednym gramie DNA. Eksperyment został przeprowadzony przez prof. George’a Church’a i dr Sri Kosuri w Harvardzkim instytucie Wyss’a. Eksperyment wyglądał podobnie do eksperymentu Goodmana, cyfrowa wiadomość została zamieniona na nukleotydy, następnie pocięta na fragmenty i poddana sekwencjonowaniu za pomocą mikrobiochipu. Użyto 19-nukleotydowgo prefixu do oznaczenia kolejności poszczególnych fragmentów. Dla porównania, aby zapisać taką ilość informacji w konwencjonalny sposób potrzeba 233 3 Terabajtowych dysków.
Gdyby udało się stworzyć technologię zarówno charakteryzującą się szybkością jak i niskimi koszami eksploatacji, być może systemy komputerowe oparte o DNA znalazłyby zastosowanie poza laboratorium. Naukowcy mają optymistyczne nastawienie, dr Goodman mówi, że za 10 lat koszty tej technologii będą 100 razy tańsze.
Przeczytaj również:
Komputery DNA, czyli co dalej z PC
DNA sposobem na zabezpieczenie globalnych danych?
Łukasz Kałużny
portal Biotechnologia.pl
Źrodła:
http://www.nature.com
http://www.extremetech.com
http://www.sciencedaily.com
KOMENTARZE