Попов И.И., Матвеев А.А., Максимов Н.В. Архитектура электронно-вычислительных машин и систем (2004) (1186255), страница 30
Текст из файла (страница 30)
В нашем случаеструктура процессора - это структура молекулы ДНК. А набор команд это перечень биохимических операций с молекулами. Принципустройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательномсоединении четырех нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи).Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуютэлементарную ячейку памяти - кодон, которые затем формируют цепьДНК.
Основная трудность в разработке ДНК-компьютеров связана спроведением избирательных однокодонных реакций (взаимодействий)внутри цепи ДНК. Однако прогресс есть уже и в этом направлении. Ужеесть экспериментальное оборудование, позволяющее работать с однимиз 1020 кодонов или молекул ДНК. Другой проблемой являетсясамосборка ДНК, приводящая к потере информации. Ее преодолеваютвведением в клетку специальных ингибиторов - веществ,предотвращающих химическую реакцию самосшивки.Использование молекул DNA для организации вычислений – этоне слишком новая идея. Теоретическое обоснование подобнойвозможности было сделано еще в 50-х годах прошлого века (Р.П.Фейманом).
В деталях эта теория была проработана в 70-х годах Ч.Бенеттом и в 80-х М. Конрадом.Первый компьютер на базе ДНК был создан еще в 1994 г.американским ученым Леонардом Адлеманом. Он смешал в пробиркемолекулу ДНК, в которой были закодированы исходные данные, испециальным образом подобранные ферменты. В результате химическойреакции структура ДНК изменилась таким образом, что в ней взакодированном виде был представлен ответ задачи.
Посколькувычисления проводились в ходе химической реакции с участиемферментов, на них было затрачено очень мало времени.Вслед за работой Адлемана последовали другие. Ллойд Смит изУниверситета Висконсин решил с помощью ДНК задачу доставки172четырех сортов пиццы по четырем адресам, которая подразумевала 16вариантов ответа. Ученые из Принстонского университета решиликомбинаторную шахматную задачу: при помощи РНК нашлиправильный ход шахматного коня на доске из девяти клеток (всего их512 вариантов).Ричард Липтон из Принстона первым показал, как, используяДНК, кодировать двоичные числа и решать проблему удовлетворениялогического выражения. Суть ее в том, что, имея некоторое логическоевыражение, включающее n логических переменных, нужно найти всекомбинации значений переменных, делающих выражение истинным.Задачу можно решить только перебором 2n комбинаций.
Все этикомбинации легко закодировать с помощью ДНК, а дальше действоватьпо методике Адлемана. Липтон предложил также способ взлома шифраDES (американский криптографический), трактуемого как своеобразноелогическое выражение.Первую модель биокомпьютера, правда, в виде механизма изпластмассы, в 1999 г. создал Ихуд Шапиро из Вейцмановскогоинститута естественных наук. Она имитировала работу “молекулярноймашины” в живой клетке, собирающей белковые молекулы поинформации с ДНК, используя РНК в качестве посредника между ДНКи белком.А в 2001 г. Шапиро удалось реализовать вычислительноеустройство на основе ДНК, которое может работать почти безвмешательства человека.
Система имитирует машину Тьюринга — однуиз фундаментальных концепций вычислительной техники. МашинаТьюринга шаг за шагом считывает данные и в зависимости от ихзначений принимает решения о дальнейших действиях. Теоретическиона может решить любую вычислительную задачу. По своей природемолекулы ДНК работают аналогичным образом, распадаясь ирекомбинируя в соответствии с информацией, закодированной вцепочках химических соединений.Разработанная в Вейцмановском институте установка кодируетвходные данные и программы в состоящих из двух цепей молекулахДНК и смешивает их с двумя ферментами. Молекулы ферментавыполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК - программногообеспечения.
Один фермент расщепляет молекулу ДНК с входнымиданными на отрезки разной длины в зависимости от содержащегося вней кода. А другой рекомбинирует эти отрезки в соответствии с ихкодом и кодом молекулы ДНК с программой. Процесс продолжаетсявдоль входной цепи, и, когда доходит до конца, получается выходнаямолекула, соответствующая конечному состоянию системы.Этот механизм может использоваться для решения самых разныхзадач. Хотя на уровне отдельных молекул обработка ДНК происходитмедленно — с типичной скоростью от 500 до 1000 бит/с, что во многомиллионов раз медленнее современных кремниевых процессоров, по173своей природе она допускает массовый параллелизм. По оценкамШапиро и его коллег, в одной пробирке может одновременнопроисходить триллион процессов, так что при потребляемой мощности вединицы нановатт может выполняться миллиард операций в секунду.В конце февраля 2002 г.
появилось сообщение, что фирма OlympusOptical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНКкомпьютера, предназначенного для генетического анализа. Машинабыла создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университетаАкирой Тояма.Компьютер, построенный Olympus Optical, имеет молекулярную иэлектронную составляющие. Первая осуществляет химические реакциимежду молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результатавычислений. Вторая - обрабатывает информацию и анализируетполученные результаты.Возможностями биокомпьютеров заинтересовались и военные.Американское агентство по исследованиям в области обороны DARPAвыполняет проект, получивший название Bio-Comp (BiologicalComputations, биологические вычисления).
Его цель - создание мощныхвычислительных систем на основе ДНК.Пока до практического применения компьютеров на базе ДНК ещеочень далеко. Однако в будущем их смогут использовать не только длявычислений, но и как своеобразные нанофабрики лекарств. Поместивподобное "устройство" в клетку, врачи смогут влиять на ее состояние,исцеляя человека от самых опасных недугов.Клеточные компьютерыКлеточные компьютеры представляют собой самоорганизующиесяколонии различных "умных" микроорганизмов, в геном которых удалосьвключить некую логическую схему, которая могла бы активизироватьсяв присутствии определенного вещества. Для этой цели идеальноподошли бы бактерии, стакан с которыми и представлял бы собойкомпьютер. Такие компьютеры очень дешевы в производстве.
Им ненужна столь стерильная атмосфера, как при производствеполупроводников.Главным свойством компьютера такого рода является то, чтокаждая их клетка представляет собой миниатюрную химическуюлабораторию. Если биоорганизм запрограммирован, то он простопроизводит нужные вещества.
Достаточно вырастить одну клетку,обладающую заданными качествами, и можно легко и быстро выраститьтысячи клеток с такой же программой.Основная проблема, с которой сталкиваются создатели клеточныхбиокомпьютеров, - организация всех клеток в единую работающуюсистему. На сегодняшний день практические достижения в областиклеточных компьютеров напоминают достижения 20-х годов в области174ламповых и полупроводниковых компьютеров. Сейчас в ЛабораторииискусственногоинтеллектаМассачусетскоготехнологическогоуниверситета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне1 бит информации.
Также разрабатываются технологии, позволяющиеединичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с нимиупорядоченную структуру и осуществлять массив параллельныхопераций.В 2001 г. американские ученые создали трансгенныемикроорганизмы (т. е. микроорганизмы с искусственно измененнымигенами), клетки которых могут выполнять логические операции И иИЛИ.СпециалистылабораторииОук-Ридж,штатТеннесси,использовали способность генов синтезировать тот или иной белок подвоздействием определенной группы химических раздражителей.
Ученыеизменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом,что их клетки обрели способность выполнять простые логическиеоперации. Например, при выполнении операции И в клетку подаютсядва вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых генвырабатывает определенный белок. Теперь ученые пытаются создать набазе этих клеток более сложные логические элементы, а такжеподумывают о возможности создания клетки, выполняющейпараллельно несколько логических операций.Потенциал биокомпьютеров очень велик. К достоинствам,выгодно отличающим их от компьютеров, основанных на кремниевыхтехнологиях, относятся:1) более простая технология изготовления, не требующая длясвоей реализации столь жестких условий, как при производствеполупроводников2) использование не бинарного, а тернарного кода (информациякодируется тройками нуклеотидов), что позволит при меньшемколичестве шагов перебрать большее число вариантов при анализесложных систем33) потенциально исключительно высокая производительность,которая может составлять до 1014 операций в секунду за счетодновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК4) возможность хранить данные с плотностью, в триллионы разпревышающей показатели оптических дисков5) исключительно низкое энергопотреблениеОднако, наряду с очевидными достоинствами, биокомпьютерыимеют и существенные недостатки, такие как:1) сложность со считыванием результатов - современные способыопределения кодирующей последовательности не совершенны, сложны,трудоемки и дороги1752) низкая точность вычислений, связанная с возникновениеммутаций, прилипанием молекул к стенкам сосудов и т.д.3) невозможность длительного хранения результатов вычисленийв связи с распадом ДНК в течение времениХотя до практического использования биокомпьютеров еще оченьдалеко, и они вряд ли будут рассчитаны на широкие массыпользователей, предполагается, что, они найдут достойное применение вмедицине и фармакологии, а также с их помощью станет возможнымобъединение информационных и биотехнологий.Коммуникационные процессорыКоммуникационные процессоры - это микрочипы, являющиесобой нечто среднее между жесткими специализированнымиинтегральными микросхемами и гибкими процессорами общегоназначения.
Коммуникационные процессоры программируются, как ипривычные нам ПК-процессоры, но построены с учетом сетевых задач,оптимизированы для сетевой работы, и на их основе производители - какпроцессоров, так и оборудования - пишут программное обеспечение дляспецифических приложений. Коммуникационный процессор имеетсобственную память и оснащен высокоскоростными внешнимиканалами для соединения с другими процессорными узлами. Егоприсутствиепозволяетвзначительноймереосвободитьвычислительный процессор от нагрузки, связанной с передачейсообщениймеждупроцессорнымиузлами.Скоростнойкоммуникационный процессор с RISC-ядром позволяет управлятьобменом данными по нескольким независимым каналам, поддерживатьпрактически все распространенные протоколы обмена, гибко иэффективно распределять и обрабатывать последовательные потокиданных с временным разделением каналов.Сама идея создания процессоров, предназначенных дляоптимизации сетевой работы - и при этом достаточно универсальныхдля программной модификации – родилась в связи с необходимостьюустранить различия в подходах к созданию локальных сетей (различныеподходы к архитектуре сети, классификации потоков, и т.д.).Несомненно, истинной причиной бума сетевых процессоров сталоускорение темпов развития рынка.
Когда рынок движется на "интернетскорости", поставщики оборудования уже не могут тратить по два годана разработку специализированных микросхем для реализацииконкретных сетевых функций. Эти два года (и вложенные деньги) будутпотрачены зря, если рынок за это время уйдет в другом направлении.Выход один - разрабатывать процессоры, которые поставщикиоборудования могут внедрить и выпустить в новом продукте в течениенескольких месяцев.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
