مقاله در مورد محاسبه مبتنی بر DNA

بخشی از مقاله

شما در حالي كه مشغول مطالعه اين مطلب هستيد، دانشمندان و توليد كنندگان در حال رقابت هستند، رقابت براي طراحي و توليد نسل جديدي از تراشه ها «Chips» و ريز پردازنده ها «Micro Processors» كه با DNA طبيعي موجودات زنده كار مي‌كنند! همانطور كه اطلاع داريد عمر تراشه هاي سيليكون «Silicon» به پايان رسيده و اين تكنولوژي انقلابي بزرگ در صنعت انفورماتيك خواهد بود.
DNA چيست؟
در بدن تمام موجودات زنده، در سطح ملكول، هم ذخيره سازي اطلاعات و هم پردازش اطلاعات در مقياس بسيار بالا انجام مي شود. تمام اين عمليات مربوط به DNA بدن موجودات زنده است. مولكولهاي DNA حاوي كدهاي اطلاعاتي- ژنتيكي موجودات زنده هستند كه توسط پروتئينهاي خاصي، خوانده و تفسير مي شوند. توان اجرايي اين سيستم كه در قسمتهايي به آن اشاره مي كنيم فوق العاده بالاست. حال اجازه دهيد به منشا اين ايده بپردازيم.
ژنتيك و انفورماتيك:
همانطور كه مطلع هستيد از علم ژنتيك و علم انفورماتيك به عنوان بزرگترين انقلابهاي علمي بشر نامبرده مي شود. امروز علومي كه هيچگونه ربطي به يكديگر نداشته اند، زمينه آميزششان فراهم شده است.
نظريه دود 10 سال پيش در سال 1994 توسط لئونارد ادلمن «Leonard Adleman» با عنوان: “استفاده از DNA براي حل مجموعه اي از مسائل رياضي”، مطرح شد. ادلمن كه استاد دانشگاه كاليفرنياي جنوبي است، پس از مطالعه كتاب «بيولوژي ملكولي ژنها» نوشته جيمز واتسن «James Watson» (دانشمندي كه در سال 1953 ساختار ژنها را كشف كرد) به اين نتيجه رسيد كه ساختار DNA، به صورت عام داراي توان محاسباتي «Compvting Potential» است.
همه جنجالها از مقاله وي در مجله سانيس «Science» شروع شد. مقاله ادلمن در مورد تشريح روش جديدي در حل مساله محاسباتي مشهور مسير مستقيم هميلتون «Hamiltons Directed Path» (اين مساله مربوط به يافتن كوتاهترين راه بين چند شهر است به شرطي كه از هر شهر تنها يك مرتبه عبور شود) بود. در اين مساله هر چقدر تعداد شهرها بيشتر شود، مساله به صورت تصاعدي دشوارتر خواهد شد. ادلمن اين مساله را هنگامي كه تعداد شهرها برابر 7 است از طريق ساختار DNA محاسبه كرد. پيش از تشريح الگوريتم ادلمن در حل اين مساله، اشاره به پاره اي نكات خالي از فايده نخواهد بود.
حل مسئله از الگوريتم ادلمن به صورت دستي حدود 7 روز وقت نياز خواهد داشت، در صورتي كه براي حل مساله از روش عادي (آزمون و خطا) كمتر از يك ساعت زمان نياز است كه نتيجه نااميد كننده اي است ولي زماني كه 7 شهربه 70 شهر تبديل شود، مساله براي قوي ترين سوپر كامپيوترهاي امروزي نيز بسيار پيچيده خواهد بود، چرا؟
از اين رو كه كامپيوترهاي امروزي تمام مسيرها را بايد به صورت منفرد آزمايش كنند كه اين عمل نيز به صورت خطي «Line Ar» انجام مي شود. (كامپيوترها سيليكون قادرنيستند به صورت همروند يا موازي «Paralel» كار كنند) دقيقاً مانند اينكه شما يك دسته كليد و يك قفل داريد، مطمئناً نمي توانيد همه كليدها را يكجا آزمايش كنيد.
حال فرض كنيد 70 شهرمرتبط به هم داريم، چند راه مختلف براي رسيدن از يك شهرخاص به شهر خاص ديگري وجود دارد؟ نيازي به محاسبه نيست، زيرا اين عدد، يك عدد نجومي است. اين دقيقاً همان نقطه‌اي است كه ضعف كامپيوترهاي امروز را نمايان مي كند. DNA مي تواند ما را از اين بن بست نجات دهد از آنجاييكه توانايي ذخيره سازي و پردازش موازي را دارد. با توجه به اين نكته مراحل الگوريتم ادلمن در حل مسئله مسير مستقيم هميلتون اينگونه خواهد بود:
1- توليد راندوم راههاي مختلف در گراف.
2- نگهداري راههايي كه با A شروع مي شوند و به G ختم مي شوند.
3- با توجه به اينكه گراف شامل 7 شهر مي باشد، نگهداري تمام مسيرهايي كه از 7 شهر عبور كرده اند.
4- نگهداري تمام راههايي كه از تمام شهرها حداقل يك بارگذشته اند.
5- محاسبه سبك ترين وزن
6- راه باقي مانده جواب مساله خواهد بود.
جانشيني براي سيليكون:
بيش از چهل سال است كه ريز پردازنده هاي سيليكوني قلب محاسبات را تشكيل مي دهند. طبق قانون مور «Moore's Law» در هر 18 ماه ديوايسهاي CPU دو برابر خواهند شد. بسياري از دانشمندان معتقدند قانون مور به نهايت خود نزديك شده است به اين مفهوم كه پردازنده هاي سيليكوني چه از لحاظ متمركز سازي و چه از لحاظ سرعت بيش از اين توان پيشرفت ندارند. تراشه هايي كه با DNA ساخته خواهند شد تراشه هاي بيولوژيكي «Bio-Chips» نام دارند. جايگزيني DNA با سيليكون مزاياي بيشماري دارد از جمله:
1- تا زماني كه موجود زنده وجود داشته باشد منبع DNA تامين خواهد بود.
2- اين ذخيره طبيعي عظيم موجب خواهد شد DNA به طور كلي منبع ارزاني باشد.
3- برخلاف مواد شيميايي سمي و خطرناك كه امروز در توليد تراشه هاي كامپيوتري استفاده مي شوند، تراشه ها بر پايه DNA كه منشا بيولوژيكي دارند سمي نيستند و از آنجا كه طبيعي هستند به راحتي قابل تجربه مي باشند.
4- كامپيوترها بر پايه DNA بارها و بارها سريعتر، كوچكتر و با قابليت ذخيره‌سازي بالاتري نسبت به كامپيوترهاي سيلكون خواهند بود. در يك سانتيمتر مكعب مي توان 10 تريليون مولكول DNA جا داد. اين فضا قابليت ذخيره سازي 10 ترابايت اطلاعات و پردازش 19 تريليون واحد محاسباتي را در يك لحظه داراست. يك پونه (453/69243گرم) DNA تواني برابر تمام كامپيوترهاي ساخته شده را خواهد داشت!
شايد مهمترين مزيت DNA بر سيليكون توانايي پردازش موازي آن باشد. عملياتي كه يك سوپر كامپيوتر در صدها سال انجام مي دهد يك كامپيوتر DNA در چند ساعت انجام خواهد داد.