معلومات

ما هي حوسبة الحمض النووي ، وكيف تعمل ، ولماذا هي صفقة كبيرة

ما هي حوسبة الحمض النووي ، وكيف تعمل ، ولماذا هي صفقة كبيرة

على مدى العقد الماضي ، واجه المهندسون الواقع القاسي للفيزياء في السعي وراء أجهزة كمبيوتر أكثر قوة: لا يمكن جعل الترانزستورات ، ومفاتيح التشغيل والإيقاف التي تشغل معالج الكمبيوتر ، أصغر مما هي عليه حاليًا. بالنظر إلى ما وراء شريحة السيليكون ، يتم حاليًا تطوير بديل بديهي باستخدام الحمض النووي لإجراء نفس أنواع الحسابات المعقدة التي تقوم بها ترانزستورات السيليكون الآن. ولكن ما هي حوسبة الحمض النووي ، وكيف تعمل حوسبة الحمض النووي ، ولماذا تعتبر كبيرة جدًا؟

ما وراء الترانزستور

تكمن مشكلة الترانزستورات في أنها موجودة الآن بمقياس بضعة نانومترات في الحجم - فقط بضع ذرات سيليكون سميكة. لا يمكن عمليا جعلها أصغر مما هي عليه الآن.

إذا أصبحت أصغر ، فإن التيار الكهربائي المتدفق عبر الترانزستور يتسرب بسهولة إلى مكونات أخرى قريبة أو يشوه الترانزستور بسبب الحرارة ، مما يجعله عديم الفائدة. تحتاج إلى حد أدنى من الذرات لجعل الترانزستور يعمل وقد وصلنا وظيفيًا إلى هذا الحد.

لقد وجد المهندسون بعض الحلول البديلة لهذه المشكلة من خلال استخدام أنظمة متعددة النواة والمعالجة المتعددة لزيادة القوة الحسابية دون الحاجة إلى تقليص الترانزستورات أكثر ، ولكن هذا أيضًا يأتي مع مقايضات من حيث تحديات البرمجة ومتطلبات الطاقة ، لذلك هناك حاجة إلى حل آخر إذا نأمل أن نرى أجهزة كمبيوتر أكثر قوة في المستقبل.

راجع أيضًا: الحوسبة الإدراكية: أكثر من الذكاء الاصطناعي

في حين أن الحوسبة الكمومية تحظى بالكثير من الضغط مؤخرًا ، يمكن أن تكون حوسبة الحمض النووي بنفس القوة - أو حتى أكثر - من الحوسبة الكمومية ولا تتعارض تقريبًا مع العديد من قيود الاستقرار التي تتمتع بها الحوسبة الكمومية. بالإضافة إلى ذلك ، نعلم أنه يعمل ؛ نحن أنفسنا أمثلة حية لتخزين البيانات والقوة الحسابية لحوسبة الحمض النووي.

التحدي الذي يواجه حوسبة الحمض النووي هو أنه بالمقارنة مع الحوسبة الكلاسيكية ، فهي بطيئة بشكل مؤلم. استغرق التطور مئات الملايين من السنين لتطوير التسلسل المعقد للحمض النووي الموجود داخل كل خلية من خلايانا بحيث يتم استخدام الحمض النووي للعمل وفقًا لمقاييس زمنية جيولوجية ، وليس وفقًا لمقاييس الجيجاهيرتز المتعددة للمعالجات الكلاسيكية الحديثة.

إذن كيف تعمل حوسبة الحمض النووي إذن ولماذا نتابعها إذا كانت بطيئة جدًا؟

ما هي حوسبة الحمض النووي ، وكيف تعمل ولماذا تعتبر صفقة كبيرة؟

لفهم ماهية حوسبة الحمض النووي ، وكيف تعمل ولماذا تعتبر حوسبة الحمض النووي أمرًا بالغ الأهمية ، نحتاج أولاً إلى التوقف عن التفكير فيها كنوع من الاستبدال لاستخدام الكمبيوتر الكلاسيكي اليومي ؛ لن نلعب ألعابًا على جهاز كمبيوتر DNA في أي وقت قريب ، إذا كان مثل هذا الشيء ممكنًا. سوف تبقى رقائق السيليكون معنا لفترة طويلة جدًا حتى الآن.

حوسبة الحمض النووي هي ما سنستخدمه لحل المشكلات التي تتجاوز نطاق ما يمكن للكمبيوتر الكلاسيكي حله ، بنفس الطريقة التي يمكن بها للحوسبة الكمومية أن تكسر تشفير RSA في لحظات بينما قد يستغرق الكمبيوتر الكلاسيكي آلاف السنين لفعل الشيء نفسه.

تم وصف حوسبة الحمض النووي لأول مرة في عام 1994 من قبل عالم الكمبيوتر ليونارد أدلمان من جامعة جنوب كاليفورنيا. بعد قراءة بنية الحمض النووي ، تم إلهامه لكتابة ورقة في المجلة علم يوضح كيف يمكنك استخدام الحمض النووي لمشكلة سيئة السمعة في الرياضيات وعلوم الكمبيوتر تُعرف باسم مشكلة مسار هاميلتون الموجهة ، والتي تُسمى عادةً مشكلة "البائع المتجول" (على الرغم من أن مشكلة هاميلتون هي نسخة مختلفة قليلاً من مشكلة البائع المتجول ، لأغراضنا هم قابلة للتبادل بشكل أساسي).

ما هي مشكلة بائع متجول؟

كما تحدد مشكلة البائع المتجول ، فإن الشركة لديها بائع يجب أن يزوره ن عدد المدن التي تجري مكالمات ويمكن زيارة كل مدينة مرة واحدة فقط. ما هو تسلسل المدن التي تمت زيارتها يوفر المسار الأقصر ، وبالتالي الأرخص؟

متى ن يساوي 5 ، يمكن حل المشكلة يدويًا على قطعة من الورق ويمكن للكمبيوتر الكلاسيكي اختبار كل مسار ممكن بسرعة نسبيًا. ولكن ماذا لو ن يساوي 20؟ يصبح العثور على أقصر طريق عبر 20 مدينة أكثر صعوبة من الناحية الحسابية وسيستغرق الكمبيوتر الكلاسيكي وقتًا أطول بشكل كبير للعثور على الإجابة.

حاول العثور على أقصر طريق بين 500 مدينة وسيستغرق الكمبيوتر الكلاسيكي وقتًا أطول من عمر الكون بأكمله للعثور على أقصر طريق لأن الطريقة الوحيدة للتحقق من أننا وجدنا أقصر طريق هي التحقق من كل تبديل للمدن. . توجد بعض الخوارزميات باستخدام الحوسبة الديناميكية التي يمكن أن تقلل نظريًا من عدد عمليات التحقق المطلوبة (ومشكلة هاميلتون باث الفعلية لا تتطلب فحص كل عقدة في الرسم البياني) ، ولكن هذا قد ينقص بضعة ملايين من السنين عن القمة ؛ ستظل المشكلة مستحيلة من الناحية الحسابية على جهاز كمبيوتر تقليدي.

كيف تحل حوسبة الحمض النووي هذه المشكلة

ما كان Adleman قادرًا على إثبات [PDF] هو أنه يمكن تجميع الحمض النووي بطريقة تمكن أنبوب اختبار مليء بكتل الحمض النووي من تجميع نفسها لتشفير جميع المسارات الممكنة في مشكلة البائع المتجول في نفس الوقت.

في DNA ، يتم تمثيل الترميز الجيني بأربعة جزيئات مختلفة ، تسمى A و T و C و G. هذه "البتات" الأربعة ، عند ربطها ببعضها البعض ، يمكن أن تحتوي على كمية هائلة من البيانات. بعد كل شيء ، يتم ترميز الجينوم البشري في شيء يمكن تجميعه في نواة خلية واحدة.

من خلال خلط هذه الجزيئات الأربعة في أنبوب اختبار ، تتجمع الجزيئات بشكل طبيعي في خيوط من الحمض النووي. إذا كان مزيج من هذه الجزيئات يمثل مدينة ومسار طيران ، فإن كل خيط من الحمض النووي يمكن أن يمثل مسار طيران مختلفًا للبائع ، ويتم حسابها جميعًا في وقت واحد في تركيب خيوط الحمض النووي التي تتجمع على التوازي.

بعد ذلك ، سيكون الأمر مجرد مسألة تصفية المسارات الأطول حتى يتبقى لديك أقصر طريق فقط. أظهر في ورقته البحثية كيف يمكن القيام بذلك مع 7 مدن وسيتم تشفير حل المشكلة بمجرد تصنيع خيوط الحمض النووي.

كان سبب إثارة هذا الإثارة هو أن هياكل الحمض النووي رخيصة وسهلة الإنتاج نسبيًا وقابلة للتطوير. لا يوجد حد للقوة التي يمكن أن تمتلكها حوسبة الحمض النووي نظريًا نظرًا لأن قوتها تزيد كلما زاد عدد الجزيئات التي تضيفها إلى المعادلة ، وعلى عكس ترانزستورات السيليكون التي يمكنها إجراء عملية منطقية واحدة في كل مرة ، يمكن لبنى الحمض النووي هذه نظريًا إجراء العديد من العمليات الحسابية في وقت حسب الحاجة لحل مشكلة والقيام بكل ذلك مرة واحدة.

لكن المشكلة تكمن في السرعة. على الرغم من أن حل Adleman لمشكلة البائع المتجول استغرق لحظات ليتم ترميزه في خيوط الحمض النووي الخاصة به في أنبوب الاختبار ، فقد استغرق الأمر أيامًا لتصفية الحلول السيئة للعثور على الحل الأمثل الذي كان يبحث عنه—بعد تحضير دقيق لهذا الحساب الفردي.

ومع ذلك ، كان المفهوم جيدًا ، وكانت إمكانية تحقيق مكاسب لا تصدق في سعة التخزين والسرعات الحاسوبية واضحة. بدأ هذا عقدين من البحث في كيفية إنشاء الحوسبة العملية للحمض النووي حقيقة واقعة.

ما هي مزايا حوسبة الحمض النووي؟

كما هو موضح في ورقة Adleman ، فإن الميزة الرئيسية لحوسبة الحمض النووي على الحوسبة الكلاسيكية - وحتى الحوسبة الكمية إلى حد ما - هي أنها يمكن أن تؤدي عددًا لا يحصى من الحسابات بالتوازي. فكرة الحوسبة المتوازية هذه ليست جديدة وقد تم تقليدها في الحوسبة الكلاسيكية منذ عقود.

عندما تقوم بتشغيل تطبيقين على جهاز كمبيوتر في نفس الوقت ، فإنهما لا يعملان في نفس الوقت ؛ في أي وقت ، يتم تنفيذ تعليمات واحدة فقط. لذلك إذا كنت تستمع إلى الموسيقى وتتسوق عبر الإنترنت باستخدام متصفح ، فإن الكمبيوتر يستخدم بالفعل شيئًا يسمى تبديل السياق لإعطاء مظهر التزامن.

يقوم بتشغيل تعليمات لبرنامج واحد ، ويحفظ حالة هذا البرنامج بعد تنفيذ التعليمات ، ويزيل البرنامج من الذاكرة النشطة. ثم يقوم بتحميل الحالة المحفوظة مسبقًا للبرنامج الثاني ، وتشغيل التعليمات التالية ، وحفظ حالته الجديدة ، ثم إلغاء تحميله من الذاكرة النشطة. ثم يقوم بإعادة تحميل البرنامج الأول لتنفيذ التعليمات التالية وما إلى ذلك.

من خلال جعل الملايين من الخطوات الإضافية في الثانية عبر البرامج المختلفة ، يتحقق مظهر التزامن ، ولكن لا شيء يتم تشغيله في الواقع بالتوازي. تستطيع حوسبة الحمض النووي أن تنفذ هذه الملايين من العمليات في نفس الوقت.

يمكن ضغط أكثر من 10 تريليون جزيء DNA في سنتيمتر مكعب واحد. يمكن أن يؤدي هذا السنتيمتر المكعب من المادة نظريًا 10 تريليونات عملية حسابية في وقت واحد ويحمل ما يصل إلى 10 تيرابايت من البيانات. من نواحٍ عديدة ، فإن الكثير من الضغط اللاهث ولكن غير الدقيق الذي تحصل عليه الحوسبة الكمية يكون ممكن في الواقع باستخدام حوسبة الحمض النووي.

من الأفضل التفكير في حوسبة الحمض النووي على أنها مكمل للحوسبة الكمومية ، بحيث عند إقرانها معًا وقيادتها بواسطة كمبيوتر كلاسيكي يعمل كمدير على غرار Singleton ، فإن أنواع الزيادات الهائلة في القوة الحسابية التي يأمل الناس في رؤيتها في المستقبل أصبح ممكنًا في الواقع بشكل واقعي.

كم من الوقت سيستغرق وصول أجهزة كمبيوتر الحمض النووي

لقد قطعنا شوطًا طويلاً منذ عام 1994. بعد وقت قصير من نشر Adleman ورقته البحثية ، تمكن الباحثون من بناء بوابات منطقية من الحمض النووي - أجزاء من دائرة مبنية من ترانزستورات فردية يمكنها بناء معادلات منطقية معقدة وصحيحة من التيار الكهربائي .

في هذا الشهر فقط ، قام علماء الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا في ديفيس ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بتصنيع جزيئات الحمض النووي التي يمكن أن تتجمع ذاتيًا في هياكل عن طريق تشغيل برنامجهم الخاص باستخدام مدخلات من ستة بتات.

تمتلك Microsoft أيضًا لغة برمجة لحوسبة الحمض النووي يمكن أن تساعد في جعل حوسبة الحمض النووي عملية بمجرد أن تتقدم تقنية المعالجات الحيوية إلى النقطة التي يمكنها تشغيل خوارزميات أكثر تعقيدًا. في الواقع ، تخطط Microsoft لتقديم حوسبة الحمض النووي إلى خدماتها السحابية بحلول عام 2020 وتعمل بنشاط على تطوير تخزين بيانات الحمض النووي لدمجها في خدماتها السحابية.

من المحتمل أن تتحقق هذه التطورات بشكل أسرع بكثير من التقدم في الحوسبة الكمومية. تتطلب الحوسبة الكمية آلات متطورة ، وموصلات فائقة ، وظروف شديدة البرودة للحفاظ على استقرار الكيوبتات بدرجة كافية للقيام بأي مهام حسابية مفيدة بالفعل ، وما لم نطور مادة يمكن أن تعمل كموصل فائق في درجة حرارة الغرفة ، فلن تشق طريقها إلى أجهزة الكمبيوتر لدينا في أي وقت قريبًا.

وفي الوقت نفسه ، تستخدم حوسبة الحمض النووي الحمض النووي الذي أصبحنا خبراء في معالجته إلى درجة استبدال جين واحد من خيط DNA عبر تقنية كريسبر. المواد اللازمة لتصنيع جزيئات الحمض النووي رخيصة ومتوفرة بسهولة وتظل ثابتة في درجة حرارة الغرفة وما بعدها. ما يمكن أن تحققه حوسبة الحمض النووي في ضوء مرونة الحمض النووي والتوازي البيولوجي يمثل خطوة أساسية نحو مستقبل الحوسبة.


شاهد الفيديو: DNA Test Ancestryنتائج تحليل الحمض النووي. ظنيت اني مغربية (ديسمبر 2021).