حتی زمانی که در حال خواندن این مقاله هستید، سازندگان چیپ‌های کامپیوتری سخت در رقابتند تا بتوانند رکورد سریعترین ریزپردازنده بعدی را به نام خود ثبت کنند. هر چند که دیر یا زود این رقابت به ناچار به بن بست می‌رسد. در نهایت ریزپردازنده‌های ساخته شده از سیلیکون محدودیت‌های امروزی را کنار خواهند زد و به بالاترین سطح از سرعت و کوچکی دست پیدا خواهند کرد. تراشه‌سازان نیز نیازمند ماده جدیدی هستند تا بتوانند سرعت محاسبات را افزایش دهند.

باور اینکه دانشمندان بتوانند مواد جدیدی را برای ساخت ریزپردازنده‌های نسل بعدی تولید کنند سخت است. میلیون‌ها ابررایانه طبیعی وجود دارند که در درون اندام موجودات زنده و حتی بدن خود شما هم وجود دارند. مولکول‌های DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) که ژن‌های ما از آ‌ن‌ها ساخته شده‌اند، این پتانسیل را دارند که قادر باشند محاسبات را بسیار سریع‌تر از قدرتمندترین رایانه‌های ساخت‌شده بوسیله بشر انجام دهند. DNA ممکن است روزی به همراه یک پردازنده رایانه‌ای برای ساخت زیست‌تراشه بکار گرفته شود تا محاسبات کامپیوتری را بهبود دهد. در حال حاضر مولکول‌های DNA برای انجام مسایل پیچیده ریاضیات قابل بهره‌برداری هستند.

درحالی که این موضوع هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارد، در آینده رایانه‌های مبتنی بر DNA قادر خواهند بود تا میلیارها  برابر داده بیشتری را نسبت به یک کامپیوتر شخصی ذخیره‌ نمایند. در این مقاله، خواهید فهمید که چگونه دانشمندان با استفاده از مواد ژنتیکی اقدام به ساخت نانو کامپوترهایی می‌کنند که ممکن است در دهه آینده جای رایانه‌های سیلیکونی را بگیرند.

فناوری محاسبه DNA

کامپیوترهای مبتنی بر DNA هنوز در فروشگاه‌ها قابل دسترسی نیستند. این تکنولوژی هنور درحال توسعه بوده و به عنوان یک طرح جدید طی دهه اخیر معرفی شده‌است. در سال 1994، Leonard Adleman ایده استفاده از DNA را برای حل مسایل دشوار ریاضی مطرح کرد. آدلمن، دانشمند حوزه علوم رایانه‌ای از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، بعد از خواندن کتاب “زیست‌شناسی مولکولی ژن” نوشته جیمز واتسون، به این نتیجه رسید که DNA پتانسیل محاسبات رایانه‌ای را در اختیار دارد. در واقع، DNA در مورد ذخیره‌سازی ژن‌ها بسیار شبیه به یک دیسک‌سخت کامپیوتری عمل می‌کند.

آدلمن اغلب به عنوان مخترع کامپیوتر مبتنی بر DNA شناخته می‌شود. مقاله او در سال 1994 تشریح کرد که چگونه می‌توان از DNA برای حل یک مساله ریاضی شناخته شده استفاده کرد. این مورد به نام مساله مسیر جهت‌دار هامیلتونی نام‌گذاری شد که آن را مساله “فروشنده دوره‌گرد” نیز معرفی می‌کنند. هدف این مساله یافتن کوتاهترین مسیر بین تعدادی شهر است، طوری که از هر شهر تنها یک دفعه عبور کنیم. با هر بار افزودن یک شهر به این مساله، حل آن دشوارتر می‌شود. آدلمن تصمیم گرفت که برای این مورد کوتاهترین مسیر بین هفت شهر را بدست آورد.

شما احتمالا خواهید توانست با ترسیم این مساله روی یک کاغذ آن را سریعتر از آزمایش آدلمن روی رایانه‌ DNAای محاسبه کنید. در ادامه مراحل انجام شده در این آزمایش کامپیوتری را با هم مرور می‌کنیم:

۱. رشته‌های DNA نمایانگر هفت شهر هستند. در ژن‌ها، کدگذاری ژنتیکی با حروف A، T، و G نشان داده می‌شود. برخی از توالی‌های این ۴ حروف که هرکدام یک شهر را نشان می‌دهد، مسیر پروازی ممکن را بیان می‌کند.

۲.این مولکول‌ها سرانجام به همراه برخی از رشته‌های به‌هم چسبیده DNA در یک لوله آزمایشگاهی ترکیب می‌گردند. زنجیره‌ای از این رشته‌ها یک جواب برای مساله است.

۳. در عرض چند ثانیه، تمام ترکیب‌های ممکن برای رشته‌های DNA که نشان از جواب قابل قبول دارند، در لوله آزمایشگاهی ساخته می‌شوند.

۴. آدلمن از طریق واکنش‌های شیمیایی مولکول‌های اشتباه را حذف می‌کند. این مولکول‌ها در پشت مسیرهای اتصال برای هفت شهر ذکر شده قرار می‌گیرند.

وفقیت آدلمن در ساخت رایانه مبتنی بر DNA ثابت می‌کند که DNA می‌تواند برای محاسبه مسایل پیچیده ریاضیات بکار گرفته شود. هرچند، هنوز این کامپیوتر DNA اولیه از نظر سرعت نمی‌تواند کامپیوترهای سیلیکونی را به چالش بکشد. کامپیوتر DNA آدلمن گروهی از جواب‌های ممکن را به سرعت ایجاد نمود، اما روزها طول می‌کشد تا قادر باشد مسایل امروزی را بدست آورد. مشکل دیگر این کامپیوتر مبتنی بر DNA وابستگی آن به انسان است. هدف از این حوزه از محاسبات رایانه‌ای DNA ساخت ابزاری است که بتواند بدون دخالت انسان و به صورت مستقل کار کند.

6 سال پس از آزمایش آدلمن، محققان دانشگاه Rochester گیت‌های منطقی را ساختند که از جنس DMA بودند. گیت‌های منطقی یک بخش حیاتی از چگونگی انجام توابع به وسیله رایانه هستند و توسط شما دستوردهی می‌شوند. این گیت‌ها کد باینری را از طریق کامپیوتر به یک سری سیگنال تبدیل می‌کنند و کامپیوتر از آن‌ها برای انجام دستورالعمل استفاده می‌نماید. اکنون، گیت‌های منطقی سیگنال ورودی دریافت شده از ترانزیستورهای سیلیکونی را تفسیر می‌نمایند و آن‌ها را به سیگنال خروجی تبدیل می‌نمایند که اجازه می‌دهد رایانه شما اقدام به حل مسایل پیچیده کند.

گیت‌های منطقی مبتنی بر DNA ساخت شده توسط تیم Rochester اولین گام به سوی ایجاد رایانه‌ای است که دارای ساختاری شبیه به یک PC الکترونیکی است. به جای استفاده از سیگنال‌های الکترونیکی برای انجام عملیات منطقی، این گیت‌های منطقی به کد  DNA وابسته هستند. آن‌ها قطعات مواد ژنتیکی را به عنوان ورودی تشخیص می‌دهند و پس از پیوند آن‌ها به یکدیگر به شکل خروجی در می‌آورند. به عنوان مثال، یک گیت ژنتیکی به نام  “گیتAND ” دو ورودی از DNA را به وسیله ترکیبات شیمیایی به هم وصل می‌کند به طوری که ساختار end-to-end داشته و به هم قفل می‌شوند، درست مانند اینکه دو لِگو ممکن است توسط یک لگو دیگر به هم قفل شوند. پژوهشگران بر این باورند که این گیت‌های منطقی ممکن است با میکروچیپ‌های DNA ترکیب بگردند و به موفقیت در محاسبات DNA دست یابند.

اجزای کامپیوتری مبتنی بر DNA (گیت‌های منطقی و زیست‌تراشه‌ها) در سال‌های آتی برای توسعه رایانه‌های DNA بکار گرفته خواهند شد. در صورت ساخت چنین رایانه‌ای، رایانه جمع‌وجورتری را شاهد خواهیم بود که دقیق و سودمندتر کار خواهد. در بخش بعدی درخواهید یافت که چگونه کامپیوترهای DNA می‌توانند از انواع مبتنی بر سیلیکون پیشی بگیرند و قادر به انجام چه وظایفی خواهند بود.

ریزپردازنده‌های DNA در برابر انواع سیلیکونی

40 سال است که میکروپردازنده‌های سیلیکونی قلب محاسبات رایانه‌ای به حساب می‌آیند. بر طبق قانون مور، تعدا دستگاه‌های الکترونیکی مجهز به ریزپردازنده هر 18 ماه یکبار دو برابر می‌شوند. قانون مور پس از بنیانگذاری اینتل توسط گوردون مور به این نام شناخته شد. او پیش‌بینی کرد که ریزپردازنده‌ها در هر دو سال دو برابر پیچیده‌تر می‌شوند. بسیاری از افراد معتقدند که قانون مور به زودی به پایان خود می‌رسد، چراکه محدودیت‌های فیزیکی کوچک‌سازی و سرعت در ریزپردازنده‌های سیلیکونی از بین خواهد رفت.

کامپیوترهای DNA پتانسیل این را دارند که بتوانند با ارایه سطح جدیدی از محاسبات، قانون مور را نقض نمایند. مزیت‌های زیادی برای استفاده از DNA به جای سیلیکون وجود دارند که برخی از آن‌ها شامل این مواردند:

۱. تا زمانی که ارگانیسم‌های سلولی وجود دارند، تهیه DNA تداوم خواهد داشت.

۲. عرضه عظیم DNA منابع ارزان‌تری را لازم دارد.

۳. برخلاف استفاده از مواد سمی در ساخت ریزپردازنده‌های سنتی، زیست‌تراشه‌های DNA کاملا پاک هستند.

۴. کامپیوترهای DNA چندین برابر کوچکتر از رایانه‌ای امروزی هستند.

مزیت کلیدی DNA این است که با وجود کوچکتر بودن نسبت به سایر رایانه‌‌ها می‌توانند داده‌های بیشتری را ذخیره کنند. نیم کیلو از DNA دارای ظرفیتی است که می‌تواند بیش از تمامی رایانه‌های الکترونیکی ساخته‌ شده داده‌ها را ذخیره کند. این درحالی است که قدرت محاسباتی یک رایانه‌ مبتنی بر DNA که اندازه‌ای معادل قطره اشک دارد، از قدرتمندترین ابر رایانه‌های جهان بهتر خواهد بود. بیش از 10 تریلیون مولکول DNA می‌توانند درون فضایی به اندازه کمتر از 1 سانتی‌متر مکعب جای بگیرند. با وجود این حجم کم از DNA، یک رایانه قادر به نگه‌داری 10 ترابایت از اطلاعات خواهد بود و می‌تواند 10 تریلیون محاسبه را به صورت همزمان انجام دهد.

بر خلاف رایانه‌های معمولی، کامپیوترهای DNA انجام محاسبات را به شکل موازی و در کنار سایر عملیات انجام می‌دهند. رایانه‌های معمولی خطی عمل می‌کنند و در یک زمان کارها را بر عهده می‌گیرند. این محاسبات موازی است که به DNA اجازه می‌دهد تا مسایل پیچیده را در طی چند ساعت حل نماید، در حالی که ممکن است این مورد برای رایانه‌های الکترونیکی صدها سال به طول انجامد.

رایانه‌های اولیه DNA از قابلیت‌ پردازش کلمه، ارسال ایمیل و یا بازی‌های کامپیوتری پشتیبانی نمی‌کنند. در عوض، با قدرتی که دارند می‌توانند توسط ارگان‌های دولتی بکارگرفته شوند تا کدهای مخفی را بشکنند، یا به وسیله برقراری ارتباط با خطوط مسیرهای کارآمدتری را در اختیارشان قرار دهند. مطالعه روی رایانه‌های DNA ممکن است منجر به درک بهتری از یک کامپیوتر پیچیده تر شود و آن چیزی نیست جز مغز انسان.

نوشته رایانه‌های مبتنی بر DNA چگونه کار خواهند کرد؟ اولین بار در پدیدار شد.