حاسوب DNA غير مزوّد بالطاقة الأول من نوعه في العالم يحطم رقمًا قياسيًا في السرعة

حاسوب DNA يعمل دون إمداد ثابت بالطاقة

بنى باحثون في جامعة ماينوث في أيرلندا ما يُوصف بأنه أول حاسوب DNA غير مزوّد بالطاقة في العالم، ويُقال إن النظام حقق رقمًا قياسيًا في السرعة. ويشير هذا العمل، بقيادة عالم الحاسوب داميان وودز، إلى طريقة مختلفة للتفكير في الحوسبة في لحظة تستهلك فيها الآلات السيليكونية التقليدية كهرباء أكثر من أي وقت مضى.

تكتسب النتيجة الرئيسية أهميتها لأنها تتحدى افتراضًا مسبقًا: أن الحوسبة المفيدة يجب أن تتضمن ترانزستورات تُشغَّل وتُطفأ تحت تيار كهربائي مستمر. وبدلًا من ذلك، لجأ فريق ماينوث إلى كيمياء الحياة، مستخدمًا خيوط DNA وتفاعلاتها كأساس للحساب. ولا يُقصد بهذا النهج أن يحل محل كل حاسوب محمول أو مركز بيانات غدًا. إنه إثبات لمبدأ مفاده أن الأنظمة الجزيئية قادرة على تنفيذ مهام حسابية باستهلاك طاقة مستمر أقل بكثير.

لماذا يجذب الطلب على الطاقة في الحوسبة الانتباه

تظهر إلحاحية البدائل منخفضة الطاقة بوضوح في الأرقام. فبحلول عام 2050، يُتوقع أن يُستخدم ما يصل إلى 20% من الكهرباء التي يستهلكها القطاع التجاري الأمريكي في الحوسبة. ومن المتوقع أن تتضاعف احتياجات مراكز البيانات وحدها من الكهرباء خلال السنوات القليلة المقبلة. ويضع هذا النمو ضغطًا على الشبكات وأهداف المناخ واقتصاديات الخدمات الرقمية.

ولا تقتصر المشكلة على الولايات المتحدة. ويشير وودز إلى أن 23% من كهرباء أيرلندا تذهب بالفعل إلى الحوسبة وتخزين البيانات. ومع انتقال المزيد من أعباء العمل إلى السحابة وتوسع الذكاء الاصطناعي، قد يصبح عبء الطاقة أكثر صعوبة في الإدارة. وقد ساعدت تحسينات الكفاءة في الرقائق، لكنها لم تمحِ التكلفة الأساسية لنقل الإلكترونات عبر شبكات واسعة من المفاتيح.

ويرى وودز أن الصناعة ظلت محدودة بالنظر إلى نوع واحد فقط من الحواسيب. فآلات السيليكون تهيمن، لكنها ليست النموذج الوحيد الممكن. ويشير إلى أن الدماغ البشري يؤدي إنجازات ملحوظة باستهلاك طاقة ضئيلة جدًا. وقد أمضت الطبيعة مليارات السنين في تحسين مثل هذه الأنظمة، ما يجعل الإلهام البيولوجي والكيميائي جديرًا بالاستكشاف.

الترانزستورات مقابل خيوط DNA

ترمّز الحواسيب الحديثة المعلومات في حالتي التشغيل والإطفاء داخل الترانزستورات. ويتطلب تغيير هذه الحالات لتنفيذ حتى عملية حسابية بسيطة شحنة كهربائية صغيرة. وبشكل فردي تكون الشحنة ضئيلة، لكن مليارات الترانزستورات التي تُشغَّل وتُطفأ مليارات المرات في الثانية تحوّل تلك الشحنة الضئيلة إلى طلب إجمالي هائل.

ويقدم DNA نظام معلومات مختلفًا. فالجزيء مبني من أربع وحدات كيميائية، غالبًا ما يُشار إليها بالحروف A وC وG وT. ويمكن لهذه الوحدات تخزين البيانات، ويمكن لتسلسلاتها المشاركة في تفاعلات خوارزمية. وفي حوسبة DNA، يمكن أن ينشأ الحساب من التنافس بين تسلسلات مختلفة بدلًا من تشغيل ترانزستور بجهد خارجي.

وهذه الفكرة ليست جديدة تمامًا. ففي التسعينيات، حلّ عالم الحاسوب في جامعة جنوب كاليفورنيا ليونارد أدلمان مشكلة البائع المتجول باستخدام سلاسل النيوكليوتيدات والكيمياء الحيوية. ومنذ ذلك الحين، طور الباحثون طرقًا عديدة لبرمجة وصفات كيميائية لمهام حسابية. وقد أظهر هذا المجال أن الجزيئات قادرة، من حيث المبدأ، على معالجة المعلومات، لكن بناء آلات عملية ظل صعبًا.

تحدي جعل حوسبة DNA عملية

من العقبات المستمرة جعل حاسوب DNA مواتيًا من حيث الطاقة ومستقرًا وموثوقًا. وتتطلب العديد من مخططات الحوسبة الجزيئية تدخلًا دقيقًا، بما في ذلك تعديلات وإضافات، للوصول إلى إجابة نهائية. وهذا يقوّض وعد التشغيل منخفض الطاقة والمستقل. والنظام الذي يحتاج إلى رعاية مستمرة ليس حاسوبًا يُذكر بالمعنى اليومي.

اتخذ وودز وزملاؤه مسارًا مختلفًا، أقرب إلى العلم الناشئ لأوريغامي DNA من النهج الأقدم القائم على تنافس الخيوط البسيطة. ويستخدم أوريغامي DNA سقالة طويلة من الأحماض النووية مقترنة بقطع قصيرة من DNA. وعند خلطها في محلول ملحي دافئ ثم تبريدها، تستقر المكونات في تكوين منخفض الطاقة. وفي الواقع، تجد القطع الجزيئية ترتيبها الخاص، موجَّهة بالديناميكا الحرارية بدلًا من تدفق تعليمات كهربائية.

وتُعد عملية التجميع الذاتي هذه محورية في التقدم المُعلن. فإذا حدثت الحوسبة أثناء تبريد المزيج نحو أدنى حالة طاقة له، فقد لا يحتاج النظام إلى إمداد خارجي مستمر بالطاقة. ويمكن وصف حاسوب DNA بأنه غير مزوّد بالطاقة بمعنى أنه لا يتطلب تيارًا كهربائيًا ثابتًا لدفع كل عملية منطقية. ولا يزال يعتمد على ظروف كيميائية وحرارية، لكن استراتيجية الطاقة مختلفة جوهريًا عن تلك الخاصة بمعالج سيليكوني.

ما الذي يشير إليه الرقم القياسي في السرعة

يضيف الادعاء بتحقيق رقم قياسي في السرعة بُعدًا آخر. فقد صُوّرت حوسبة DNA أحيانًا بأنها بطيئة، وقيمة للبحث المتوازي لكن ليس للحسابات السريعة. ويشير نظام غير مزوّد بالطاقة هو الأول من نوعه في العالم ويحقق أيضًا رقمًا قياسيًا في السرعة إلى أن الحوسبة الجزيئية قد تكون أكثر تنافسية مما كان متوقعًا، على الأقل لمهام ومعايير معينة.

وهذا لا يعني أن حواسيب DNA ستشغّل قريبًا جداول البيانات أو الألعاب أو النماذج اللغوية الكبيرة. فالتقنية تواجه أسئلة حول الاستقرار والموثوقية وقابلية التوسع والتكامل مع الأنظمة القائمة. والعرض المخبري ليس مثل المنتج التجاري. ومع ذلك، يمكن لنتيجة تحطم رقمًا قياسيًا أن تغيّر طريقة تفكير الباحثين في حدود هذا المجال.

طاقة منخفضة، وليست تكلفة صفرية

من المهم أن نكون دقيقين بشأن كلمة "غير مزوّد بالطاقة". فلا يمكن لأي حاسوب أن يعمل دون طاقة بشكل ما. ويبدو أن نظام ماينوث يتجنب إمدادًا ثابتًا بالكهرباء، مستخدمًا بدلًا من ذلك فيزياء وكيمياء تهجين DNA وطيّه. وبهذا المعنى، هو أقرب إلى مادة ذاتية التنظيم من جهاز إلكتروني تقليدي.

وهذا التمييز مهم للاستدامة. تستهلك مراكز البيانات الكهرباء للحوسبة وللتبريد. وإذا أمكن تنفيذ بعض الحسابات عبر تجميع جزيئي سلبي، فقد يتغير ملف الطاقة في الحوسبة. وقد ينتقل مصدر الطاقة من كهرباء الشبكة إلى التحضير الكيميائي والدورات الحرارية، التي لها تكاليفها الخاصة. وسيعتمد صافي الفائدة على التطبيق المحدد ودورة الحياة.

لماذا يعود الباحثون دائمًا إلى علم الأحياء

يزخر علم الأحياء بأمثلة على معالجة المعلومات بكفاءة. فالخلايا تستجيب للإشارات، وتنسخ المادة الوراثية، وتنظّم شبكات معقدة دون معالج مركزي أو مقبس حائط. والدماغ هو المثال الأكثر ألفة، لكن DNA نفسه وسيط تخزين ومعالجة صُقل على مدى الزمن التطوري.

ويحاول باحثو حوسبة DNA استعارة بعض من تلك الكفاءة. ويُعد استخدام فريق ماينوث لأوريغامي DNA مثالًا على كيفية إعادة توظيف البنى البيولوجية لأهداف هندسية. ومن خلال تصميم السقالات والخيوط القصيرة، يمكن للعلماء برمجة تفاعلات تؤدي إلى نتيجة حسابية مرغوبة.

• يستطيع DNA تخزين المعلومات في تسلسله المكوّن من أربع وحدات كيميائية.
• يمكن أن ينشأ الحساب من الارتباط التنافسي بدلًا من تشغيل الترانزستور.
• يستخدم أوريغامي DNA سقالة بالإضافة إلى خيوط قصيرة للتجميع الذاتي في أشكال منخفضة الطاقة.
• التشغيل غير المزوّد بالطاقة يعني عدم وجود إمداد كهربائي ثابت، وليس صفر مدخلات طاقة.
• تشمل التحديات العملية الاستقرار والموثوقية وتجنب الإضافات اليدوية.

الطريق إلى الأمام

نتيجة ماينوث تذكير بأن مستقبل الحوسبة قد لا يكون أحاديًا. ومن المرجح أن يظل السيليكون مهيمنًا على المعالجة للأغراض العامة، لكن الأنظمة الجزيئية قد تجد مجالات متخصصة تكون فيها الطاقة المنخفضة أو التجميع الذاتي أو التوازي الهائل مهمًا. ويُعد أول حاسوب DNA غير مزوّد بالطاقة في العالم مع رقم قياسي في السرعة إشارة إلى أن المجال يتقدم.

وسيحتاج العمل المستقبلي إلى إظهار ما إذا كان النهج قابلًا للتوسع، وما إذا كان يمكن برمجته بشكل موثوق، وما إذا كان يمكنه التفاعل مع الإلكترونيات التقليدية. وإذا أمكن الإجابة عن هذه الأسئلة، فقد ينتقل حوسبة DNA من فضول مخبري إلى تقنية مكمّلة. وفي الوقت الحالي، يظل هذا الإنجاز دليلًا على أن الحوسبة لا يجب أن تأتي دائمًا مع استنزاف مستمر لشبكة الكهرباء.

يعتمد هذا المقال على تقرير من New Atlas. اقرأ المقال الأصلي.