Биологический нанокомпьютер

(Впервые опубликовано – февраль 2002)

DNA1

Выдающиеся способности биомолекул к хранению и обработке информации уже около десятилетия привлекают внимание ученых, пытающихся отыскать наиболее достойную замену компьютерным микросхемам на основе кремния. Основные усилия сфокусированы на ДНК – знаменитой молекуле в форме двойной спирали, которая присутствует в ядрах всех живых клеток и способна, занимая объем в один кубический сантиметр, содержать в себе информации больше, чем триллион компакт-дисков.

Постепенно двигаясь по пути создания программируемых компьютеров на основе молекул ДНК, ученые-исследователи приближают эпоху, когда живые «вычислительные машины» смогут умещаться в одной клетке человеческого организма. Подобный «биологический нанокомпьютер» будет настолько мал, что триллион (1 000 000 000 000) таких компьютеров сможет работать одновременно в единственной капле воды.

Теоретические расчеты дают основания предполагать, что так называемые ДНК-компьютеры в конечном счете способны превзойти кремниевые чипы в решении массивно-параллельных задач, требующих одновременного выполнения множества сходных операций. Но еще более заманчивые перспективы биологические нанокомпьютеры сулят в специальных приложениях, таких как медицина и фармакология. Читать «Биологический нанокомпьютер» далее

Квантовый биокомпьютер

(Впервые опубликовано – июнь 2012)

Прогресс компьютерной индустрии, последние полвека обеспечиваемый постоянной миниатюризацией элементов микросхем, неотвратимо приближается к пределу возможностей кремниевых технологий. Иначе говоря, явно пора подыскивать альтернативные модели вычислителей.

QuantumBiology

На смену кремниевым чипам

По давно уже сложившейся традиции (и вследствие естественных технических причин), активность в области высокопроизводительных вычислений – или кратко суперкомпьютеров – всегда сфокусирована на самых передовых компьютерных технологиях человечества.

Промежуток времени, разделяющий те моменты, когда производительность наиболее мощных суперкомпьютеров планеты становится доступна вполне обычному настольному или мобильному электронному устройству, может быть длиннее или короче. Но общее правило остается неоспоримым: то, что вчера считалось пределом вычислительных возможностей, завтра становится общедоступной технологией.

Формулируя чуть иначе, тенденции, доминирующие ныне в узкоспециальной области суперкомпьютерных монстров, занимающих собой здоровенные помещения, на самом деле важны и интересны абсолютно для всех, кто уже не мыслит свою жизнь без компьютерной техники. И именно поэтому особого внимания заслуживают прогнозы экспертов относительно недалекого будущего суперкомпьютеров.

На проходивший в июне в Гамбурге, Германия, очередной Международной суперкомпьютерной конференции ISC ’12 (www.isc-events.com/isc12/) в качестве одного из основных докладчиков выступал американский ученый Томас Стерлинг. Среди специалистов он широко известен как «отец» популярной кластерной архитектуры Beowulf и как один из создателей самой быстрой на сегодня вычислительной техники петафлопсного масштаба (1 петафлопс = 1015 FLOPS, т. е. квадриллион или миллион миллиардов операций с плавающей запятой в секунду).

Доклад Стерлинга на конференции был посвящен общему обзору текущих достижений и тенденций в отрасли, однако для данной статьи особый интерес представляет авторитетное мнение специалиста относительно грядущих перспектив суперкомпьютинга. Непосредственно перед ISC ’12 в компьютерной прессе появилось обширное интервью Томаса Стерлинга, в котором он аргументированно обрисовал неблестящее, мягко говоря, будущее суперкомпьютеров на основе кремниевых чипов.

Суть прогноза сводится к тому, что технологии полупроводниковых микросхем, стабильно развивающие компьютерную индустрию вот уже около полувека, ныне быстро приближаются к своим физическим, идеологическим и конструктивным пределам.

Согласно выводам Стерлинга, порогом производительности для кремниевых чипов станет следующий, экзафлопсный рубеж (порядка квинтиллионов или 1018 операций в секунду). А для того, чтобы двигаться дальше, ученым и инженерам придется создавать нечто в корне иное: «Возможно, это будет что-то типа квантового компьютинга, метафорического компьютинга, или биологического компьютинга. Но что бы там ни было, это будет не то, чем мы занимались последние семь десятилетий»…

Все, кто интересуется новыми компьютерными технологиями, наверняка слышали или читали о некоторых из упомянутых Стерлингом направлениях исследований в области высокопроизводительных вычислений.

Больше всего говорят о «квантовых компьютерах», оперирующих регистрами кубитов на основе законов квантовой физики. Заметно меньше – о «классических» биологических вычислителях, построенных на основе манипуляций сложными биомолекулами вроде ДНК. Практически ничего не публикуется, правда, об интригующей технологии «метафорический компьютинг» на базе эффектов нелинейной оптики, но это тема совсем другого разговора (подробности см тут:  kiwiarxiv.wordpress.com/2013/04/28/201206/).

Здесь же будет рассказано про еще одно – любопытное и перспективное – направление научных исследований под названием «квантовая биология». Важная роль, которую, как выясняется, играют эффекты квантовой физики в жизни биологических систем, ныне расценивается как одно из наиболее неожиданных и волнующих открытий последних лет в области биологии.

Пока что это открытие плохо стыкуется с доминирующими в физике взглядами на мир, однако стабильно растущее число экспериментальных свидетельств и теоретических исследований понемногу укрепляют фундамент квантовой биологии. Новой области, сулящей не только лучшее понимание природы, но и, среди прочего, существенный прогресс в сферах компьютеров, связи и передачи энергии. Читать «Квантовый биокомпьютер» далее