Специалисты МФТИ пришли к выводу, что технологии гибридных вычислительных систем, сочетающие традиционные микросхемы с биологическими компонентами, максимально перспективны в области персонализированной медицины и системах шифрования данных. Работа, опубликованная в международном научном журнале Materials Today Nano, систематизирует последние достижения в области биологических интегральных схем и определяет ключевые направления их развития.
Эра традиционных компьютеров приближается к своему физическому пределу: дальнейшая миниатюризация кремниевых микросхем становится практически невозможной. Пока инженеры бьются над этой проблемой, биологи предлагают свой путь — использовать для вычислений молекулы ДНК, которые уже доказали свою эффективность в медицинской диагностике. Однако главное препятствие оставалось нерешённым: как объединить эти два мира — высокоскоростную электронику и медленную, но мощную химию живых систем?
Художественное представление совмещения биомолекул и электронных чипов. Источник: Materials Today Nano
Ответ на этот вопрос предлагают в МФТИ. В своем новом исследовании учёные представили перспективный путь создания гибридных процессоров, в которых ДНК и белки становятся активными элементами на поверхности кремниевых чипов. Учёные уже давно успешно совмещают биомолекулы с транзисторами в биосенсорах. Следующий шаг — научить такие «биологические интегральные схемы» решать более сложные вычислительные задачи.
«Решение проблемы заключается в использовании уникальных свойств биомолекул. Например, молекулы ДНК можно запрограммировать так, чтобы они вступали в реакции друг с другом по принципу логических элементов «И» или «ИЛИ». Когда одна молекула ДНК вытесняет другую на поверхности транзистора, это изменяет электрический заряд и, следовательно, ток, протекающий через транзистор. Таким образом, биохимическая реакция преобразуется в цифровой сигнал, понятный компьютеру. Белки, в свою очередь, могут менять свою форму под воздействием света, температуры или химических веществ, что также можно зафиксировать электронным чипом и использовать для вычислений», — рассказал Иван Бобринецкий, ведущий научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ, доктор технических наук.
Главное преимущество такой системы — невероятный параллелизм. В то время как обычный процессор выполняет команды по очереди, в капле жидкости могут одновременно работать миллиарды молекул, каждая из которых решает часть общей задачи. Это открывает путь к сверхбыстрому анализу данных, например, для одновременной диагностики множества заболеваний по капле крови или для ускорения работы алгоритмов искусственного интеллекта при распознавании образов. Кроме того, такие вычисления потенциально требуют гораздо меньше энергии.
По оценкам ученых МФТИ, технология пригодится, в первую очередь, для развития персонализированной медицины, где требуется быстро и точно анализировать сложные биологические данные. Она также может найти применение в безопасном хранении информации и создании новых систем шифрования на основе биологических принципов.
На текущем этапе технология находится в стадии активных лабораторных исследований. Учёные уже демонстрируют рабочие прототипы отдельных логических элементов, но для создания полноценного биокомпьютера предстоит справиться с рядом серьёзных вызовов. Основные задачи — обеспечить долговременную стабильность биомолекул в составе электронных устройств и разработать стандартные технологические процессы для их массового производства.
Планы учёных сосредоточены на решении этих проблем, что в перспективе позволит создать принципиально новые вычислительные системы, объединяющие лучшие черты живой природы и кремниевой электроники.
