Zusammenfassung:
Forscher der Maynooth University in Irland haben einen neuen DNA-Computertyp entwickelt, der die natürlichen chemischen Reaktionen von DNA-Molekülen in Salzlösungen nutzen kann, um Berechnungen durchzuführen, ohne wie herkömmliche elektronische Computer kontinuierlich Strom zu verbrauchen. Das Forschungsteam gab an, dass diese Methode erstmals DNA-Computing ohne kontinuierliche externe Stromversorgung ermöglicht und die schnellste Rechengeschwindigkeit in bestehenden DNA-Computing-Systemen erreicht.
Mit der rasanten Verbreitung von künstlicher Intelligenz und Rechenzentren rückt der Energieverbrauch von Computergeräten immer mehr in den Vordergrund. Forscher gehen davon aus, dass bis zum Jahr 2050 bis zu 20 % des im kommerziellen Sektor der USA verbrauchten Stroms für Computer verwendet werden könnten und sich der Strombedarf von Rechenzentren in den nächsten Jahren verdoppeln könnte. In diesem Zusammenhang ist die Frage, wie der Energiebedarf des Rechenprozesses selbst gesenkt werden kann, für Forscher zu einer wichtigen Richtung bei der Suche nach neuen Rechenarchitekturen geworden.
Damien Woods, Informatiker an der Maynooth University und leitender Autor des Artikels, sagte, dass die Menschen derzeit daran gewöhnt seien, Computer als Geräte aus Siliziumchips und Transistoren zu verstehen, aber die Natur habe tatsächlich viele Rechenmechanismen entwickelt, die komplexe Aufgaben mit extrem geringem Energieverbrauch erledigen können, und das menschliche Gehirn ist ein Beispiel dafür. Forscher hoffen daher, Berechnungsmethoden aus der Chemie des Lebens zu finden, die sich von herkömmlichen elektronischen Berechnungen unterscheiden.
Moderne elektronische Computer basieren fast alle auf Transistoren als Grundschalter, die Daten in zwei Zuständen darstellen: „Ein“ und „Aus“. Jedes Mal, wenn ein Transistor seinen Zustand ändert, verbraucht er eine kleine Menge Strom, und wenn Milliarden oder sogar Billionen von Transistoren ständig mit extrem hohen Frequenzen schalten, addieren sich diese geringen Stromverbraucher schließlich zu einem enormen Energiebedarf.
DNA speichert und verarbeitet Informationen auf völlig andere Weise. Die vier chemischen Basen, aus denen eine DNA-Kette besteht, können Informationen in unterschiedlicher Anordnung kodieren, sodass das DNA-Molekül selbst theoretisch als Rechenmedium verwendet werden kann. Im Gegensatz zu elektronischen Computern, die den Zustand über Transistoren wechseln, kann DNA-Computing chemische Wechselwirkungen zwischen verschiedenen DNA-Sequenzen nutzen, um Algorithmen auszuführen.
DNA-Computing ist kein neues Konzept. Bereits in den 1990er-Jahren löste Leonard Adleman, Informatiker an der University of Southern California, mithilfe von DNA-Molekülen und biochemischen Reaktionen das berühmte „Problem des Handlungsreisenden“ und bewies damit, dass mit DNA Berechnungen durchgeführt werden können. Seitdem haben Forscher weiterhin neue molekulare Algorithmen entwickelt, in der Hoffnung, dass die DNA mehr Funktionen traditioneller Computer übernehmen kann.
Allerdings gab es beim DNA-Computing schon immer ein zentrales Problem: Wie kann sichergestellt werden, dass das System gleichzeitig einen niedrigen Energieverbrauch, Stabilität und Zuverlässigkeit aufweist und keine ständigen manuellen Eingriffe der Forscher während des Berechnungsprozesses erfordert? Viele herkömmliche Methoden zur DNA-Berechnung erfordern die ständige Zugabe von Reagenzien oder die Bereitstellung zusätzlicher Energie, damit chemische Reaktionen wie geplant ablaufen können.
Woods‘ Team verfolgte einen anderen Ansatz, der der in den letzten Jahren aufgekommenen DNA-Origami-Technologie näher kam, anstatt eine große Anzahl einfacher DNA-Stränge gegeneinander auszuspielen, um die Antwort zu finden.
Die Forscher verwendeten zunächst ein längeres Nukleinsäure-„Gerüst“, fügten dann eine große Anzahl kürzerer DNA-Fragmente hinzu und legten sie in eine warme Salzlösung. Während die Lösung allmählich abkühlt, interagieren die DNA-Moleküle und formen sich zu stabileren Strukturen. Die resultierende Struktur selbst ist die Antwort auf das Rechenproblem.
In diesem System interagieren Moleküle und bilden eine Struktur, und diese Struktur ist das Ergebnis der Berechnungen, erklärte Woods. Das wichtigste Merkmal des gesamten Prozesses besteht darin, dass sich das System auf natürliche Weise in den Zustand mit der niedrigsten Energie entwickeln kann, sodass keine kontinuierliche Zufuhr externer Energie erforderlich ist, um die Berechnung voranzutreiben.
Mit anderen Worten: Diese Art von DNA-Computer verbraucht nicht kontinuierlich Strom, damit Transistoren mit hoher Geschwindigkeit schalten können. Stattdessen ermöglicht es dem molekularen System, selbst einen stabileren Zustand mit niedrigerer Energie zu finden, und verwendet als Ergebnis die endgültige Molekülstruktur.
Die Forscher nutzten diese Methode, um verschiedene Programme auszuführen, einige mit Berechnungen von bis zu 100 Bit. Experimente haben gezeigt, dass dieses System tatsächlich vorgefertigte mathematische Berechnungen durchführen kann, ohne dass eine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist.
Betrachtet man jedoch nur die einzelne Rechengeschwindigkeit, besteht immer noch eine große Lücke zwischen ihr und herkömmlichen siliziumbasierten Computern. Eine der schnellsten Berechnungen im Experiment bestand beispielsweise darin, 3 und 10 zu addieren, und selbst dann dauerte es etwa 30 Sekunden, bis man das Ergebnis erhielt. Für gewöhnliche elektronische Computer ist diese Geschwindigkeit nahezu vernachlässigbar.
Aber die Forscher betonten, dass der Wert des DNA-Computings nicht darin liegt, mit der CPU um die Geschwindigkeit einzelner Berechnungen zu konkurrieren. DNA-Moleküle können hochparallele chemische Reaktionen durchführen und eine große Anzahl verschiedener Berechnungen kann gleichzeitig in demselben winzigen Reaktionssystem durchgeführt werden. Daher eignet sich dieser Computertyp besser für die Bewältigung bestimmter Probleme, die in eine große Anzahl paralleler Aufgaben unterteilt werden können.
Abeer Eshra, einer der Co-Erstautoren der Arbeit, sagte, dass diese Reaktion in einem Reagenzglas schnell ablaufen kann. Obwohl die Geschwindigkeit im Vergleich zu anderen DNA-Rechnersystemen immer noch weit unter der eines siliziumbasierten Computers liegt, ist diese Methode derzeit die schnellste Lösung.
DNA hat auch einen Vorteil, mit dem herkömmliche elektronische Computer nicht mithalten können, nämlich ihre extrem hohe Datenspeicherdichte. Theoretisch kann ein Gramm DNA Hunderte Millionen Gigabyte an Daten speichern, was bedeutet, dass eine große Menge menschlicher digitaler Informationen in Zukunft möglicherweise sogar auf sehr kleinem physischen Raum komprimiert werden könnte.
Wenn Sie die ultrahohe Speicherdichte der DNA mit der Technologie zum Lesen und Schreiben von Daten mit niedriger Energie kombinieren und dann molekulare Rechenmechanismen verwenden, die von Natur aus dazu neigen, bestimmte Aufgaben in Niedrigenergiezuständen auszuführen, ist es möglich, ein Datenverarbeitungssystem zu bilden, das sich völlig von herkömmlichen elektronischen Computern unterscheidet.
Diese Berechnungsmethode eignet sich besonders für Szenarien, die keine Hochgeschwindigkeits-Echtzeitverarbeitung erfordern, sondern eine langfristige Speicherung und Verarbeitung umfangreicher Informationen erfordern. Im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten, Solid-State-Laufwerken und Rechenzentren kann DNA sowohl Informationen in extrem hoher Dichte speichern als auch unter geeigneten Bedingungen über lange Zeiträume stabil bleiben.
Forscher gehen davon aus, dass DNA-Speicherung und DNA-Computing in Zukunft weiter integriert werden könnten, wodurch DNA nicht nur zu einer „molekularen Festplatte“ wird, sondern auch in der Lage ist, die darin gespeicherten Daten direkt zu berechnen, ohne zunächst alle Informationen in elektronische Signale umwandeln zu müssen.
Das bedeutet, dass zukünftige Rechenzentren möglicherweise nicht unbedingt aus einer großen Anzahl von Hochgeschwindigkeitschips und Speichergeräten bestehen müssen. In einigen spezifischen Anwendungen können entworfene DNA-Moleküle gleichzeitig Datenspeicher- und Rechenaufgaben übernehmen und durch chemische Reaktionen direkt Ergebnisse liefern.
Natürlich befindet sich diese Technologie noch in einem sehr frühen Forschungsstadium. Die Geschwindigkeit, eine einfache Addition in 30 Sekunden abzuschließen, ist offensichtlich nicht mit modernen CPUs, GPUs und sogar Mikrocontrollern vergleichbar. In praktischen Anwendungen muss DNA-Computing auch viele Probleme lösen, wie z. B. Berechnungsskala, Ergebnisablesung, Kontrolle chemischer Reaktionen, Zuverlässigkeit und Chargenfertigung.
Die Bedeutung dieser Forschung bedeutet also nicht, dass traditionelle elektronische Computer bald durch DNA ersetzt werden, sie beweist jedoch, dass das Rechnen nicht unbedingt einen kontinuierlichen Verbrauch elektrischer Energie erfordert. Die Forscher demonstrierten ein völlig anderes Rechenparadigma, indem sie ein molekulares System von selbst in einen stabilen Zustand entwickeln ließen.
Da KI, Cloud Computing und Rechenzentren den weltweiten Energieverbrauch im Computing weiter in die Höhe treiben, könnte diese Art von Computing-Methode, die sehr wenig Energie verbraucht oder gar keine kontinuierliche Stromversorgung erfordert, allmählich mehr Aufmerksamkeit erlangen. In der Zukunft wird DNA-Computing möglicherweise kein Ersatz für Allzweckcomputer sein, aber in Bereichen wie spezifischen Algorithmen, massiver Informationsverarbeitung und langfristiger Datenspeicherung könnte es Vorteile entwickeln, die für elektronische Computer nur schwer zu reproduzieren sind.
Kommentare