जगातील पहिला वीज-मुक्त DNA संगणक वेगवान विक्रम प्रस्थापित करतो

सतत वीज पुरवठ्याशिवाय चालणारा DNA संगणक

आयर्लंडमधील मेनूथ विद्यापीठातील संशोधकांनी जगातील पहिला वीज-मुक्त DNA संगणक तयार केला आहे, आणि या प्रणालीने वेगवान विक्रम प्रस्थापित केल्याचे सांगितले जाते. संगणक शास्त्रज्ञ डेमियन वुड्स यांच्या नेतृत्वाखालील हे कार्य, पारंपारिक सिलिकॉन यंत्रे अधिकाधिक वीज वापरत असताना संगणनाबद्दल वेगळ्या विचारसरणीकडे निर्देश करते.

हे मुख्य परिणाम महत्त्वाचे आहे कारण ते एका मूलभूत गृहीतकाला आव्हान देते: उपयुक्त संगणनासाठी सतत विद्युत प्रवाहाखाली ट्रान्झिस्टर चालू-बंद होणे आवश्यक आहे. त्याऐवजी, मेनूथ संघाने जीवनाच्या रसायनशास्त्राकडे वळले, DNA तंतू आणि त्यांच्या परस्परसंवादाचा वापर गणनाचा आधार म्हणून केला. हा दृष्टिकोन उद्या प्रत्येक लॅपटॉप किंवा डेटा सेंटर बदलण्यासाठी नाही. हे एक तत्त्वाचा पुरावा आहे की आण्विक प्रणाली खूपच कमी चालू वीज वापरून संगणकीय कार्ये करू शकतात.

संगणनाची ऊर्जा मागणी का लक्ष वेधत आहे

कमी-शक्ती पर्यायांमागील तातडी आकडेवारीतून सहज दिसते. 2050 पर्यंत, यूएस व्यावसायिक क्षेत्रात वापरल्या जाणाऱ्या विजेपैकी 20% पर्यंत संगणनासाठी वापरली जाईल अशी अपेक्षा आहे. केवळ डेटा सेंटर्सची विजेची मागणी पुढील काही वर्षांत दुप्पट होण्याचा अंदाज आहे. ही वाढ ग्रिड, हवामान उद्दिष्टे आणि डिजिटल सेवांच्या अर्थशास्त्रावर दबाव आणते.

ही समस्या केवळ अमेरिकेपुरती मर्यादित नाही. वुड्स नमूद करतात की आयर्लंडच्या 23% वीज आधीच संगणन आणि डेटा स्टोरेजमध्ये जाते. अधिक कामगिरी क्लाउडकडे जात असताना आणि कृत्रिम बुद्धिमत्ता वाढत असताना, ऊर्जेचा भार व्यवस्थापित करणे आणखी कठीण होऊ शकते. चिपमधील कार्यक्षमता सुधारणांनी मदत केली आहे, परंतु स्विचच्या विशाल जाळ्यांमधून इलेक्ट्रॉन हलवण्याची मूलभूत किंमत ते दूर करू शकले नाहीत.

वुड्स यांचा युक्तिवाद आहे की उद्योग केवळ एका प्रकारच्या संगणकाकडे पाहून मर्यादित राहिला आहे. सिलिकॉन यंत्रे वर्चस्व गाजवतात, परंतु ते एकमेव संभाव्य मॉडेल नाहीत. मानवी मेंदू, ते नमूद करतात, फारच कमी शक्ती वापरून उल्लेखनीय कामगिरी करतो. निसर्गाला अशा प्रणालींचे ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी अब्जावधी वर्षे मिळाली आहेत, ज्यामुळे जैविक आणि रासायनिक प्रेरणा शोधण्यासारखी आहे.

ट्रान्झिस्टर विरुद्ध DNA तंतू

आधुनिक संगणक माहिती ट्रान्झिस्टरमध्ये चालू आणि बंद अवस्था म्हणून एन्कोड करतात. अगदी सोपी गणना करण्यासाठी त्या अवस्था बदलण्यासाठी थोडा विद्युत चार्ज आवश्यक असतो. वैयक्तिकरित्या चार्ज अगदी लहान असतो, परंतु अब्जावधी ट्रान्झिस्टर सेकंदाला अब्जावधी वेळा स्विच होत असल्याने तो लहान चार्ज प्रचंड एकत्रित मागणीत बदलतो.

DNA एक वेगळी माहिती प्रणाली देते. हा रेणू चार रासायनिक एककांपासून बनलेला असतो, ज्यांना बऱ्याचदा A, C, G आणि T अक्षरांनी दर्शवले जाते. ती एकके डेटा साठवू शकतात, आणि त्यांचे क्रम अल्गोरिदमिक अभिक्रियांमध्ये सहभागी होऊ शकतात. DNA संगणनामध्ये, बाह्य व्होल्टेजद्वारे ट्रान्झिस्टर स्विच होण्याऐवजी वेगवेगळ्या क्रमांमधील स्पर्धेतून गणना उद्भवू शकते.

ही कल्पना अगदी नवीन नाही. 1990 च्या दशकात, युनिव्हर्सिटी ऑफ सदर्न कॅलिफोर्निया येथील संगणक शास्त्रज्ञ लिओनार्ड अॅडलमन यांनी न्यूक्लियोटाइड्सच्या तारा आणि जैवरसायनशास्त्र वापरून प्रवासी विक्रेता समस्या सोडवली होती. तेव्हापासून, संशोधकांनी संगणकीय कार्यांसाठी रासायनिक पाककृती प्रोग्राम करण्याचे अनेक मार्ग विकसित केले आहेत. या क्षेत्राने दाखवले आहे की रेणू तत्त्वतः माहिती प्रक्रिया करू शकतात, परंतु व्यावहारिक यंत्रे तयार करणे कठीण राहिले आहे.

DNA संगणन व्यावहारिक बनवण्याचे आव्हान

एक सतत अडथळा म्हणजे ऊर्जेच्या दृष्टीने अनुकूल, स्थिर आणि विश्वासार्ह DNA संगणक तयार करणे. अनेक आण्विक संगणन योजनांना अंतिम उत्तरापर्यंत पोहोचण्यासाठी काळजीपूर्वक हस्तक्षेप, ज्यात बदल आणि पुनर्भरण समाविष्ट आहे, आवश्यक असते. यामुळे कमी-शक्ती, स्वायत्त ऑपरेशनचे वचन कमी होते. सतत लक्ष देणे आवश्यक असलेली प्रणाली दैनंदिन अर्थाने फारशी संगणक नसते.

वुड्स आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी वेगळा मार्ग घेतला, जो साध्या तंतू स्पर्धेच्या जुन्या दृष्टिकोनापेक्षा उदयोन्मुख DNA ओरिगामी विज्ञानाच्या जवळ आहे. DNA ओरिगामी एक लांब न्यूक्लिक अॅसिड स्कॅफोल्ड आणि लहान DNA खंड एकत्र वापरते. उबदार खारट द्रावणात मिसळून नंतर थंड केल्यावर, घटक कमी-ऊर्जा संरचनेत स्थिरावतात. परिणामी, आण्विक तुकडे विद्युत सूचनांच्या प्रवाहाऐवजी थर्मोडायनामिक्सद्वारे मार्गदर्शित होऊन स्वतःची व्यवस्था शोधतात.

ही स्व-संयोजन प्रक्रिया नोंदवलेल्या प्रगतीसाठी केंद्रस्थानी आहे. जर मिश्रण त्याच्या सर्वात कमी ऊर्जा स्थितीकडे थंड होत असताना संगणन होत असेल, तर प्रणालीला सतत बाह्य वीज पुरवठ्याची आवश्यकता नसू शकते. DNA संगणकाला वीज-मुक्त असे वर्णन केले जाऊ शकते कारण प्रत्येक तार्किक क्रिया चालवण्यासाठी सतत विद्युत प्रवाह आवश्यक नाही. तो अजूनही रासायनिक आणि औष्णिक परिस्थितींवर अवलंबून आहे, परंतु ऊर्जा धोरण सिलिकॉन प्रोसेसरपेक्षा मूलभूतपणे भिन्न आहे.

वेगवान विक्रम काय सूचित करतो

वेगवान विक्रमाचा दावा आणखी एक आयाम जोडतो. DNA संगणन कधीकधी मंद, समांतर शोधासाठी मौल्यवान परंतु वेगवान गणनेसाठी नाही असे चित्रित केले गेले आहे. जगातील पहिली वीज-मुक्त प्रणाली जी वेगवान विक्रम देखील प्रस्थापित करते, हे सूचित करते की आण्विक संगणन अपेक्षेपेक्षा अधिक स्पर्धात्मक असू शकते, किमान काही कार्ये आणि बेंचमार्कसाठी.

याचा अर्थ असा नाही की DNA संगणक लवकरच स्प्रेडशीट, गेम किंवा मोठे भाषा मॉडेल चालवतील. तंत्रज्ञानाला स्थिरता, विश्वासार्हता, स्केलेबिलिटी आणि विद्यमान प्रणालींशी एकत्रीकरण याबद्दल प्रश्न आहेत. प्रयोगशाळेतील प्रात्यक्षिक व्यावसायिक उत्पादनासारखे नसते. तरीही, विक्रम प्रस्थापित करणारा परिणाम संशोधकांच्या क्षेत्राच्या सीमांबद्दलचा विचार बदलू शकतो.

कमी शक्ती, शून्य खर्च नाही

वीज-मुक्त या शब्दाबद्दल अचूक असणे महत्त्वाचे आहे. कोणताही संगणक कोणत्याही स्वरूपात ऊर्जेशिवाय चालू शकत नाही. मेनूथ प्रणाली सतत विजेचा पुरवठा टाळते असे दिसते, त्याऐवजी DNA संकर आणि फोल्डिंगचे भौतिकशास्त्र आणि रसायनशास्त्र वापरते. त्या अर्थाने, ती पारंपारिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणापेक्षा स्व-संघटित सामग्रीच्या जवळ आहे.

हा फरक शाश्वततेसाठी महत्त्वाचा आहे. डेटा सेंटर्स संगणन आणि थंड करण्यासाठी वीज वापरतात. जर काही गणना निष्क्रिय आण्विक संयोजनाद्वारे केल्या जाऊ शकतील, तर संगणनाचे ऊर्जा प्रोफाइल बदलू शकते. ऊर्जेचा स्रोत ग्रिड विजेवरून रासायनिक तयारी आणि औष्णिक सायकलिंगकडे जाऊ शकतो, ज्यांचे स्वतःचे खर्च आहेत. निव्वळ लाभ विशिष्ट अनुप्रयोग आणि जीवनचक्रावर अवलंबून असेल.

संशोधक जैविकतेकडे का परततात

जैविकता कार्यक्षम माहिती प्रक्रियेच्या उदाहरणांनी भरलेली आहे. पेशी सिग्नलला प्रतिसाद देतात, अनुवांशिक सामग्रीची प्रत करतात आणि मध्यवर्ती प्रोसेसर किंवा भिंतीवरील सॉकेटशिवाय जटिल जाळी नियंत्रित करतात. मेंदू सर्वात परिचित उदाहरण आहे, परंतु DNA स्वतःच एक साठवण आणि प्रक्रिया माध्यम आहे जे उत्क्रांतीच्या काळात परिष्कृत केले गेले आहे.

DNA संगणन संशोधक त्या कार्यक्षमतेचा काही भाग उधार घेण्याचा प्रयत्न करत आहेत. मेनूथ संघाचा DNA ओरिगामीचा वापर हे जैविक संरचना अभियांत्रिकी उद्दिष्टांसाठी कशा पुनर्वापरल्या जाऊ शकतात याचे एक उदाहरण आहे. स्कॅफोल्ड आणि लहान तंतू डिझाइन करून, शास्त्रज्ञ इच्छित संगणकीय परिणामाकडे नेणारे परस्परसंवाद प्रोग्राम करू शकतात.

• DNA त्याच्या चार रासायनिक एककांच्या क्रमात माहिती साठवू शकते.
• ट्रान्झिस्टर स्विचिंगऐवजी स्पर्धात्मक बंधनातून गणना उद्भवू शकते.
• DNA ओरिगामी स्कॅफोल्ड आणि लहान तंतू वापरून कमी-ऊर्जा आकारांमध्ये स्व-संयोजन करते.
• वीज-मुक्त ऑपरेशन म्हणजे सतत वीज पुरवठा नाही, शून्य ऊर्जा इनपुट नाही.
• व्यावहारिक आव्हानांमध्ये स्थिरता, विश्वासार्हता आणि मॅन्युअल पुनर्भरण टाळणे समाविष्ट आहे.

पुढील वाट

मेनूथचा निकाल हे स्मरण करून देतो की संगणनाचे भविष्य एकसंध असू शकत नाही. सिलिकॉन सामान्य-उद्देश प्रक्रियेसाठी वर्चस्व राखेल, परंतु आण्विक प्रणाली अशा कोनाडे शोधू शकतात जिथे कमी शक्ती, स्व-संयोजन किंवा प्रचंड समांतरता महत्त्वाची आहे. वेगवान विक्रमासह जगातील पहिला वीज-मुक्त DNA संगणक हा क्षेत्र पुढे जात असल्याचा संकेत आहे.

भविष्यातील कार्य हे दर्शवेल की दृष्टिकोन स्केल केला जाऊ शकतो का, तो विश्वासार्हपणे प्रोग्राम केला जाऊ शकतो का आणि तो पारंपारिक इलेक्ट्रॉनिक्सशी इंटरफेस करू शकतो का. जर ती प्रश्न उत्तरे देऊ शकले, तर DNA संगणन प्रयोगशाळेतील कुतूहलातून पूरक तंत्रज्ञानाकडे जाऊ शकते. सध्या, ही कामगिरी हे पुरावा म्हणून उभी आहे की संगणनासोबत नेहमी वीज ग्रिडवर सतत ताण येईल असे नाही.

हा लेख New Atlas च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.