XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Компьютеры плотно укрепились в нашей жизни. Они присутствуют везде, начиная от телефонов и планшетов заканчивая супермаркетами и умными часами. Все они работают по одинаковому принципу: микропроцессор интерпретирует двоичный код, состоящий из нулей и единиц. Это аналогично чтению: процессор считывает слово за словом, инструкцию за инструкцией пока не поймет, что делать, а затем исполняет это и переходит к следующему шагу. Компьютеры, выполняющие по одной инструкции за раз, называются классическими.

Отрисовка буквы «Т» микропроцессором [1]

При открытии нескольких программ одновременно процессор все равно будет продолжать считывать по одному набору инструкций за раз, но переключаться между этими наборами очень быстро. Примерно со скоростью 2,5 миллиарда раз в секунду для одноядерного однопоточного процессора, работающего на частоте 2,5 ГГц. Это позволяет создать видимость многозадачности процессора.

Такой мощности хватает для повседневных задач, но существуют задачи, для решения которых необходимо решать параллельно, например решения сложных уравнений по криптографии или симуляции явлений нашего мира. Такие задачи можно описать и классифицировать, как требующие экспоненциально все больше времени на решения с возрастанием сложности. Классические компьютеры не могут хорошо справляться с такими типами задачам.

Частично проблема последовательного выполнения инструкций решается путем, объединения множества классических компьютеров в один. Такой компьютер называется суперкомпьютером, он на самом деле может решать множество задач одновременно, но все еще не параллельно.

Необходимые параллельные вычисления позволяет выполнять квантовый компьютер. Однако у такого решения есть недостатки, практичность квантовых компьютеров с точки зрения производства и эксплуатации вызывает сложности. Например, для работы квантовому компьютеру необходима температура очень близкая к абсолютному нулю чтобы работать. Эта проблема может быть решена в будущем, но в современных реалиях такое реализовать невозможно.

Как альтернативу квантовому компьютеру можно рассмотреть биокомпьютер как было выяснено в исследовании, опубликованном в журнале PNAS [2] проведенным Лундским университетом в Швеции. Метод биокомопьютинга потребляет меньше 1% от той энергии, что потребляют сегодняшние электронные транзисторы, в результате можно получить мощность современных суперкомпьютеров умещенные в ноутбуке и без абсурдных энергозатрат и тепловыделения.

Для сравнения, в суперкомпьютере от IBM Watson в котором компания объединила 128 компьютеров потребление энергии составляет 7680 Вт. [5]

Суперкомпьютер IBM Watson [6]

Производители микропроцессоров для увеличения мощности стараются уместить большее число транзисторов на меньшей площади, для того чтобы они обменивались быстрее сигналами. Аналогичной функцией в биологическом компьютере занимается белок миозина – составной элемента мышечной ткани. Миозин можно представить в виде крошечных молекулярных двигателей, преобразующих химическую энергию в механическую. Биокомпьютер использует миозин чтобы направлять белковые нити вдоль искусственных дорожек.

Визуализация принципа работы сети нано каналов
по которым движутся белковые нити [3]

Исследователь Хайнер Линки объясняет: «биокомпьютер включает в себя построение сети нано каналов, которые обеспечивают определенную регуляцию потока белковых нитей. В результате поиска своего пути белок движется по сети проходя один за другим каналы сверху вниз тем самым выполняя операции аналогичные операциям сложения. Если использовать достаточное количество агентов, можно исследовать все возможные пути и как следствие получить все возможные результаты, соответствующие решению математического уравнения»

В результате вместо множества компьютеров соединенных между собой для выполнения множественных одновременных вычислений можно будет использовать нано размерный молекулярный мотор, направляющий молекулы белка. Каждая биомолекула будет действовать, как если бы это был отдельный маленький компьютер с индивидуальным процессором и памятью. Эта разработка поможет создать гораздо меньшие по размеру и более мощные компьютеры. Такая компьютерная система гораздо проще и дешевле в производстве чем квантовый компьютер в основном за счет того, что основные компоненты такого компьютера распространены в природе.

Команда исследователей утверждает, что биологический суперкомпьютер в десятилетие от производства: «тот факт, что молекулы очень дешевы и что нам удалось продемонстрировать работоспособность биокомпьютерных вычислений заставляет меня поверить, что биокомпьютер и имеют предпосылки для практического использования в течение десяти лет».

Биокомпьютер в действии: молекулы белка ищут путь к решению задачи, которая изображена в нижней части монитора [4]

Числа внизу показывают полученные решения уравнения, система находит множество решений одновременно. На исследования эта система выглядит медленно и примитивно, было доказательством концепта. Шведские ученые доказали, что идея работает это позволяет исследователям получить достаточно данных, чтобы убедиться, что это жизнеспособная альтернатива квантовым компьютерам. Они доказатели работоспособность концепта практичной легкой в производстве требующий гораздо меньше энергии и недорогой параллельной вычислительной системы.

Белковые биокомпьютеры пока ограничены в своих возможностях, но ученые, принимающие участие в этой работе, утверждают, что достижение универсальности вполне реально. Таким образом, вполне возможно, в не столь отдаленном будущем появятся подобные устройства, способные решать более сложные задачи.

Такие компьютеры может и не станут эффективнее квантового компьютера, но могут стать хорошей альтернативой маленького портативного устройства мощнее всех существующих электрических микропроцессоров.

Список литературы

https://domipheus.com/blog/designing-a-cpu-in-vhdl-part-12-text-mode-video-output/

https://www.pnas.org/content/113/10/2591

https://canaltech.com.br/ciencia/vem-ai-o-primeiro-biocomputador-do-mundo-conheca-o-projeto-93566/

http://gearmix.ru/archives/26374

https://habr.com/ru/company/ibm/blog/230173/

https://ru.wikipedia.org/wiki/IBM_Watson

Код для цитирования: Скопировать