Опубликован: 24.04.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 2065 / 702 | Длительность: 06:18:00
Лекция 4:

Сохранение информации

< Лекция 3 || Лекция 4: 12345 || Лекция 5 >

Фактически спин становится другим носителем информации, который может быть использован в компьютинге, имеющем ряд преимуществ перед классическим компьютингом, используемым в традиционных ЭВМ. Так, информация, которая хранится в памяти современного компьютера, используя систему положительных и отрицательных зарядов, является довольно неустойчивой: она исчезает, как только отключается электрический ток, если выполненная на компьютере работа не была сохранена. При создании соответствующей среды спин является гораздо более устойчивым. Так, в магнитном материале, если спин включен "вверх" или "вниз", он остается в этой ориентации до тех пор, пока его не переключат в другом направлении. Это означает, что когда вы отключаете электрический ток, все остается точно таким же, как и было до отключения тока. Другими словами, это спиновое оборудование остается как бы включенным. Спинтронное оборудование потребляет незначительное количество энергии для включения спина. Поэтому оно является энергетически эффективным, что будет исключительно важным в перспективе для экономии энергии, когда произойдет глобальная компьютеризация планеты и сформируются глобальная информационная экономика и общество. Помимо этого, спинтронное оборудование будет иметь гораздо более высокую скорость переключения, по сравнению с традиционным компьютерным оборудованием. По-видимому, спинтронное оборудование уже в ближайшей перспективе сможет достичь скорости обработки информации в несколько терагерц. Кроме того, спинтронное оборудование имеет великолепную масштабируемость, так как основывается на ферромагнитных полупроводниках, а промышленные технологии производства полупроводников довольно хорошо освоены. Однако в настоящее время в спинтронном оборудовании используются главным образом металлы, а не полупроводники.

Исследователи в странах ЕС заняты поиском полупроводниковых материалов, которые смогут работать при комнатной температуре. Сейчас направление исследований в спинтронике постепенно переходит от проблем спинтронной памяти и хранения информации к процессам обработки спинтронной информации.

В связи с тем, что кремниевые полупроводниковые технологии постепенно, по оценкам аналитиков, приближаются к исчерпанию своих технических возможностей, ученые США (Оксфордский и Техасский университеты, Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, Сандия и Рокфеллера) и других промышленно развитых стран мира проводят исследования с целью создания перспективных инновационных технологий в области биокомпьютеров, технологий хранения и обработки информации в биологических системах. Сейчас исследования осуществляются по нескольким направлениям и типам биокомпьютеров, основанным на разных биологических процессах. В первую очередь это относится к генетическим (ДНК, РНК) и клеточным биокомпьютерам.

ДНК-компьютер или биомолекулярный компьютер - это в основе своей набор специально отобранных нитей ДНК, комбинация которых дает возможность осуществлять отдельные конкретные вычислительные операции. В настоящее время уже разработаны технологии отбора таких нитей ДНК. Как считают эксперты, ДНК-компьютеры дадут возможность создания массивных параллельных схем, которые не могут быть сформированы традиционными компьютерами, работающими на кремниевых чипах. Кроме того, ДНК-компьютеры будут значительно быстрее традиционных компьютеров. Помимо молекул ДНК для этих целей возможно использование других биологических молекул, например протеиновых молекулярных структур, которые в будущем могут привести к созданию пептидных биокомпьютеров, которые будут способны поддерживать гораздо более сложные, комплексные алгоритмы.

Применение в области ИКТ биологических материалов, биомолекул позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Ведь по существу, клетки - это не что иное, как биосистемы или биокомпьютеры молекулярного уровня. Одним из примеров уникального биокомпьютера служит мозг человека.

Потенциал биокомпьютеров очень велик. По сравнению с обычными вычислительными устройствами, они имеют ряд уникальных особенностей. Во-первых, в них может использоваться не бинарный, а тернарный код (информация в них кодируется тройками нуклеотидов).

Во-вторых, вычисления в них могут производиться путем одновременного вступления в реакцию, например, триллионов молекул ДНК, в результате чего биокомпьютеры могут выполнять до 1014 операций в секунду.

В-третьих, вычислительные устройства на основе ДНК хранят данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели современных оптических дисков. В-четвертых, ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление.

Однако при разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана с проблемой считывания результатов вычислительных операций. Современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) несовершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция. Вторая проблема - ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1 % при синтезе и секвенировании биооснований считается очень хорошей. Для ИКТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов и нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК и т.д. С течением времени ДНК распадаются и результаты вычислений исчезают.

Генетические ДНК- и РНК-компьютеры - это вычислительные системы, использующие информационные возможности молекул ДНК и РНК.

Молекулы ДНК могут оказаться материалом, который впоследствии заменит кремниевые транзисторы с их бинарной логикой. Всего один фунт (453 грамма) ДНК-молекул обладает емкостью для хранения данных, превосходящей суммарную емкость всех современных электронных систем хранения данных, т.е. всех современных компьютеров. С другой стороны, вычислительная мощность ДНК-процессора размером в несколько миллиметров будет выше самого мощного современного суперкомпьютера. Например, 10 трлн. ДНК-молекул занимают объем всего лишь 1 см3. Этого количества молекул достаточно для хранения объема информации в 10 терабайт. Еще одно преимущество ДНК-процессоров в сравнении с обычными кремниевыми процессорами заключается в том, что они могут производить все вычисления не последовательно, а параллельно, что обеспечивает выполнение сложнейших математических расчетов за исключительно короткое время, измеряемое в минутах. Традиционным компьютерам для выполнения таких расчетов потребовались бы месяцы и годы.

В молекулах ДНК, из которых состоят живые клетки, закодирована генетическая информация. Фактически ДНК - это полимер, состоящий из субъединиц, называемых нуклеотидами. Ученые решили попытаться по примеру природы использовать молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах, или как их впоследствии назвали ДНК/РНК-компьютеры. Идея создания такого биокомпьютера принадлежит Леонарду Адлеману, профессору Университета Южной Калифорнии (1994 г.). Вслед за работой Адлемана последовали другие в Университете штата Висконсин, Принстонском университете и др.

Первая модель биокомпьютера в виде механизма из пластмассы была создана в 1999 г. Ихудом Шапиро из Вейцмановского научно-исследовательского института естественных наук в Реховоте (Израиль). Его модель имитировала работу "молекулярной машины" в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации, получаемой из ДНК, используя при этом РНК в качестве посредника между ДНК и белком.

В 2001 г. И. Шапиро удалось реализовать модель в реальном биокомпьютере, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного обеспечения, а молекулы ДНК - программного. Этот новый тип биологического компьютера способен выполнить до 330 трлн. вычислений в секунду, что примерно в 100 тыс. раз быстрее обычных электронных компьютеров. Полученный на этой основе процессор настолько мал, что в объеме одной капли воды могло бы поместиться до 3 трлн. таких ДНК-компьютеров. Каждый из них может выполнять до 66 млрд. операций в секунду с точностью операций до 99,8%.

Однако, израильский биокомпьютер И. Шапиро пока не может конкурировать с обычными компьютерами из-за ряда ограничений, относящихся к выполняемым задачам.

Тем не менее, исследователям удалось добиться значительных успехов в дальнейшей миниатюризации биокомпьютеров, совершенствовании их "конструкции" и эффективности энергопотребления. Если все предшествующие ДНК-компьютеры нуждались в дополнительном источнике энергии (аденозинтрифосфорной кислоте - АТФ), то новый биокомпьютер получает энергию непосредственно от молекулы ДНК, в которой закодированы исходные данные для вычислений. Исследователи сходятся во мнении, что такая конструкция биокомпьютера более перспективна, нежели вариант с применением внешнего источника энергии - АТФ.

В Израиле создается новый проект ДНК-компьютера, включающий в себя ранее неизвестный биохимический процесс, генерирующий определенное количество энергии, достаточное для того, чтобы ДНК-компьютер мог работать без внешнего источника питания. Традиционные электронные компьютеры обрабатывают информацию на основе электрических импульсов, идущих по микросхемам кремниевых чипов. По разным прогнозам ожидается, что между 2010 и 2015 годами будет происходить переход к разработке биокомпьютеров без внешнего источника питания.

Помимо указанных источников энергии энергопитание ДНК-компьютеров может осуществляться, как считают ученые, за счет тепла человеческой руки или тела. Пока у данной разработки практического применения нет, но, по мнению израильских ученых, она имеет огромный потенциал. В частности, подобный биокомпьютер, помещенный в тело человека, сможет осуществлять мониторинг и распознавать аномальные биохимические явления, принимать решения о способе их коррекции, а также синтезировать и выделять необходимые для этих целей лечебные вещества.

Еще в 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университета Акирой Тояма. Комбинированный компьютер, построенный Olympus Optical, имеет молекулярную и электронную составляющие. Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая - обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты.

Возможностями биокомпьютеров заинтересовались военные. Так, американское агентство DARPA начало выполнять проект, получивший название Bio-Comp (Biological Computations - биологические вычисления). Его цель - создание мощных биовычислительных систем на основе ДНК. Попутно исследователи надеются научиться управлять процессами взаимодействия белков и генов. Для этого планируется создать мощный симулятор Bio-SPICE, способный средствами машинной графики визуализировать биомолекулярные процессы.

Ученые Колумбийского университета Нью-Йорка и университета Нью-Мехико сообщили о создании ДНК-компьютера, способного проводить самую точную и быструю диагностику таких вирусов, как вирус Западного Нила, птичьего гриппа и др. Они представили первую интегральную ДНК-схему со средней степенью интеграции, которая на данный момент является самым быстрым устройством такого типа. Пока что такие компьютеры могут применяться исключительно в научных целях, в частности, в медицине, биологических исследованиях и пр. По оценкам этих ученых, через 10-15 лет ДНК-компьютеры смогут заменить кремниевые.

Ученые и аналитики полагают: ДНК/РНК-компьютеры в будущем можно будет использовать не только для вычислений, но и как своеобразные нанофабрики лекарств. Эти компьютеры найдут свое широкое применение, прежде всего, в медицине и фармакологии. Поместив подобное "устройство" в клетку, врачи смогут влиять на ее состояние, исцеляя человека от самых опасных недугов.

К клеточным биокомпьютерам относятся такие системы, которые располагаются в клетках организма и осуществляют мониторинг их состояния и лечения. К биомолекулярным компьютерам относятся вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, биологических). В молекулярных компьютерах используется принцип вычислительных возможностей, получаемых в результате различного расположения атомов. В целом клеточные и молекулярные компьютеры являются родственными и зачастую работают совместно.

Если говорить о клеточных компьютерах, то для этой цели идеально подходят бактерии, если бы в их геном удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активироваться в присутствии определенного вещества. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна абсолютно стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников. Запрограммировав клетку, можно довольно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой. Еще в 2001 г. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы (т.е. микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции типа "И" и "ИЛИ", используемые в традиционных компьютерных технологиях.

Ученые известной американской Лаборатории в Оук-Ридже (штат Теннеси) провели опыты по использованию способности генов синтезировать гот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Они изменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении логической операции "И" в клетку подаются два вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. В настоящее время на базе этих клеток создаются более сложные логические элементы. Ведутся исследования в отношении возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.

Исследователи Гарвардского и Принстонского университетов разработали имплантируемый в клетку человека биокомпьютер, который способен осуществлять мониторинг за деятельностью и состоянием клеток. Информация, которую предоставляют эти "молекулярные доктора", формируется исключительно из молекул ДНК, РНК и протеинов. Составленные только на основе генетических материалов, эти "молекулярные доктора" могут в перспективе революционизировать всю медицину. Такие биокомпьютеры предназначены для определения мутированных генов, деятельности генов внутри клеток, а также раковых клеток.

По мнению ученых Гарвардского и Принстонского университетов, в настоящее время отсутствуют инструменты для чтения клеточных сигналов. Указанные выше биокомпьютеры фактически являются таким инструментом и смогут перевести сложную клеточную сигнатуру, такую как деятельность множества генов, в читаемую информацию на выходе из клетки.

Кроме того, эти инструменты могут быть запрограммированы на автоматический перевод клеточных сигналов на выходе в конкретные действия:

  • маркировку больных клеток, для которых необходимо клиническое лечение;

    или

  • инициирование своих собственных "лечебных" действий в этом направлении.

Учеными из этих университетов недавно была продемонстрирована работа такого биокомпьютера, размещенного на клетках почки человека. С этой целью они использовали РНК клеток почек человека для создания "молекулярного компьютерного центра". Информация на входе такого вычислительного устройства - это белки и химические вещества, находящиеся в цитоплазме клетки, на выходе - это сигнальные молекулы, которые надежно распознаются базовым лабораторным оборудованием.

< Лекция 3 || Лекция 4: 12345 || Лекция 5 >
Семён Бессонов
Семён Бессонов
Анна Непомнящая
Анна Непомнящая

Привет, Я библиотекарь подскажите какие нибудь интересные курсы ....