Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — то, благодаря чему из поколения в поколение самых разных живых существ передаётся наследственная информация, на основе которой «строятся» новые и новые организмы. Оказывается, ДНК можно использовать и в IT. Попытки предпринимаются уже достаточно давно, и время от времени становятся известны результаты, некоторые из них весьма интересны. Сейчас, в частности, разработан микрофлюидный ДНК-процессор, получивший название «лаборатория на чипе», способный не только выполнять вычисления, но также считывать и записывать данные, хранящиеся в ДНК. Подробности — под катом.
Что это за чип такой?
Сначала немного о микрофлюидных чипах. Они базируются на сети микроканалов, вытравленных или отлитых в материале подложки (стеклянной, кремниевой или полимерной). Как минимум один размер канала находится в диапазоне от микрометра до десятков микрометров. Микроканалы соединяются вместе для смешивания, перекачки, сортировки или контроля биохимической среды. Для связи с внешним миром на чипе имеются входы и выходы. Через них в чип вводятся и удаляются жидкости или газы.
Учёные из Рочестерского технологического института разработали именно такой процессор.
«Мы предложили представлять числа посредством разных концентраций растворов, содержащих специально подготовленные молекулы ДНК. Вычислительные операции — это различные манипуляции с молекулами ДНК. Сейчас мы уже можем выполнять такие операции, как сложение и умножение, а также другие нелинейные функции, необходимые для сетевых вычислений», — рассказал глава проекта Амлан Гангули.
Простейшее современное микрофлюидное устройство состоит из микроканалов, отлитых в полимере, который прикреплён к плоской поверхности, например к предметному стеклу. Полидиметилсилоксан (PDMS) — наиболее часто используемый полимер для микрофлюидных чипов. Насколько можно судить, новый чип изготовлен именно таким образом.
Конечно, прототип ещё очень далёк от практического применения, но работы ведутся. А ведь потенциал ДНК как носителя информации или инструмента для проведения вычислений достаточно высок. Так, если научиться управлять плотностью записи данных, то можно создать носители, ёмкость которых будет на несколько порядков выше, чем у твердотельных накопителей. Команда учёных считает, что проведение вычислений на базе ДНК позволит создавать устройства нового типа для медицины, криминалистики или даже для работы в ЦОДах.
Авторы проекта считают, что массовое внедрение ДНК-технологий позволит значительно снизить энергопотребление ЦОДов. Но, конечно, это будет возможно лишь при условии действительно обширного использования микрофлюидных чипов на базе ДНК. Сейчас команда Гангули разрабатывает крупномасштабное микрофлюидное устройство с большим количеством функций и возможностей.
Есть у технологии и недостатки. В частности, учёные пока ещё не научились быстро считывать или сохранять данные с использованием ДНК. Поэтому задержка крайне велика — эту проблему ещё предстоит решить.
Не только микрофлюидные чипы
Как и говорилось выше, возможности ДНК в плане использования устройств на базе этих молекул изучаются достаточно давно. И не только учёными-энтузиастами, но и крупными компаниями. Например, Microsoft. Она занимается проектом системы хранения данных на базе ДНК. Привлекательность в том, что она обладает просто феноменальной ёмкостью. Да и долговечность тоже хорошая — несколько сотен лет при условии отсутствия экстремальных факторов вроде высокой температуры, ударов и т. п.
Основа технологии от Microsoft — капсулы из диоксида кремния. В них хранятся отдельные файлы. К каждой из капсул прикрепляются ДНК-метки, показывающие, что находится в файле. Размер — 6 микрометров. Пару лет назад, когда была представлена технология, разработчики научились хранить 20 файлов-капсул одновременно, это около 100 байт. Сейчас, вероятно, этот показатель увеличился.
Достоинством является ещё и то, что к капсулам можно прикреплять метки, кодирующие ключевые слова для поиска файла. Например, название объекта, его признак (горячий, голубой или твёрдый) и т. п.
Накопители на базе ДНК планируется использовать в качестве системы хранения холодных данных, как и в случае со стеклом. Быстрой она быть не может, её основное преимущество — хранение огромных объёмов информации на носителе очень небольшого размера. К сожалению, подробностей о ДНК-накопителе от Microsoft не так много, но проект до сих пор актуален. Как и в случае с кварцевым стеклом, корпорация планирует протестировать систему сначала в своих ЦОДах, а затем уже пробовать привлекать партнёров.
И карты памяти тоже
Да, есть необычный, хотя и не совсем практичный проект по хранению важных данных посредством ДНК. Это не концептуальный проект, а реальное устройство, которое работает. По словам производителя, объём памяти карты составляет всего 1 Кб, что чрезвычайно мало в мире, где мы привыкли к гигабайтам и терабайтам. Но на данный момент это всё, чего удалось добиться разработчикам. Тем не менее есть и положительные стороны — так, срок службы устройства составляет 150 лет. Плюс ко всему система базируется на радикально новой технологии — хранении информации на базе ДНК.
Есть и ещё один нюанс — никакого устройства для считывания компания не предлагает, вместо этого расшифровкой сохранённых данных будет заниматься лаборатория от Biomemory, что представляет собой известное неудобство. Если нужно считать информацию, ждать 8 дней — это как-то слишком.
Кроме того, было бы неплохо удостовериться в том, что карта может хранить данные хотя бы десяток лет. Подтверждения слов представителей компании придётся ждать очень долго. Тем не менее устройство уже работает, есть proof-of-concept. Продавать свои карты компания собирается не ранее 2026 года. Зато в будущем на считывание данных планируется тратить не 8 дней, а «всего» несколько часов.
Насколько можно судить, всё больше научных организаций и коммерческих компаний занимается изучением потенциала ДНК в плане реализации вычислений и хранения больших массивов данных. Если бы кто-то совершил, как принято говорить, прорыв, то это, возможно, дало бы толчок развитию новых направлений в IT.
