Ақпарат

ДНҚ-ны есептеу дегеніміз не, ол қалай жұмыс істейді және неліктен бұл үлкен мәміле?

ДНҚ-ны есептеу дегеніміз не, ол қалай жұмыс істейді және неліктен бұл үлкен мәміле?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Соңғы онжылдықта инженерлер анағұрлым қуатты компьютерлерді іздеуде физиканың қатал шындығына қарсы шықты: транзисторлар, компьютердің процессорына қуат беретін сөндіргіштерді қазіргіден кішірейту мүмкін емес. Кремний микросхемасынан тыс, қазіргі кезде кремний транзисторлары жүргізетін күрделі есептеулердің дәл осындай түрлерін орындау үшін ДНҚ көмегімен интуитивті балама жасалуда. Бірақ ДНҚ-ны есептеу дегеніміз не, ДНҚ-ны есептеу қалай жұмыс істейді және неге бұл өте маңызды?

Транзистордан тыс

Транзисторларға қатысты мәселе, олар қазір бірнеше нанометр масштабында бар - қалыңдығы бірнеше кремний атомдары ғана. Оларды қазіргіден кішірейтуге болмайды.

Егер олар кішірейсе, транзистор арқылы өтетін электр тогы жақын орналасқан басқа компоненттерге оңай ағып кетеді немесе жылу әсерінен транзисторды деформациялайды, оны пайдасыз етеді. Транзистордың жұмыс жасауы үшін сізге минималды атомдар саны қажет және біз функционалды түрде бұл шекті деңгейге жеттік.

Инженерлер транзисторларды кішірейтпей есептеу қуатын арттыру үшін көп ядролы және мультипроцессорлық жүйелерді қолдану арқылы бірнеше проблемаларды тапты, бірақ бұл бағдарламалау қиындықтары мен қуатқа деген қажеттіліктермен байланысты болады, сондықтан басқа шешім қажет болашақта қуатты компьютерлерді көреміз деп үміттенеміз.

КӨРІҢІЗ: КОГНИТИВТІК ЕСЕПТЕУ: АДАМ АДАМ ЖАСАРМАЛЫҚ ЗЕРЕКТІЛІКТЕН

Соңғы кезде кванттық есептеу қатты басылып жатқан кезде, ДНҚ-ны есептеу тіпті кванттық есептеуге қарағанда әлдеқайда күшті болуы мүмкін және ол кванттық есептеудің көптеген тұрақтылық шектеулеріне тап болмайды. Сонымен қатар, біз оның жұмыс істейтінін білеміз; біз өзіміз деректерді сақтаудың және ДНҚ-ны есептеу күшінің тірі мысалдары болып табыламыз.

ДНҚ-ны есептеудің қиындығы - классикалық компьютермен салыстырғанда, ол баяу жүреді. Эволюцияда біздің жасушаларымыздың әрқайсысында бар ДНҚ-ның күрделі дәйектілігін дамыту үшін жүздеген миллион жылдар болды, осылайша ДНҚ қазіргі классикалық процессорлардың бірнеше гигагерці емес, геологиялық уақыт шкалалары бойынша жұмыс істеуге дағдыланған.

Сонымен, ДНҚ-ны есептеу қалай жұмыс істейді және егер біз соншалықты баяу болса, неге оны іздейміз?

ДНҚ-ны есептеу дегеніміз не, ол қалай жұмыс істейді және неге бұл үлкен мәміле?

ДНҚ-ны есептеу дегеніміз не, ол қалай жұмыс істейтінін және неге ДНҚ-ны есептеу өте маңызды екенін түсіну үшін алдымен бұл туралы күнделікті классикалық компьютерде қолданылатын ауыстыру ретінде ойлауды тоқтатуымыз керек; біз жақын арада ДНК компьютерінде ойын ойнайтын боламыз, егер мұндай нәрсе мүмкін болса. Кремний чиптері бізде әлі ұзақ уақыт болады.

ДНҚ-ны есептеу дегеніміз - біз классикалық компьютер шеше алмайтын мәселелерді шешу үшін қолданар едік, кванттық есептеу RSA шифрлауды сәттерде бұзуы мүмкін, ал классикалық компьютерге мұны мыңдаған жылдар қажет етуі мүмкін.

ДНҚ-ны есептеуді алғаш рет 1994 жылы Оңтүстік Калифорния университетінің компьютерлік ғалымы Леонард Адлеман сипаттаған. ДНҚ құрылымын оқығаннан кейін, ол журналға қағаз жазуға шабыттандырды Ғылым жалпыға бірдей «саяхатшы сатушы» деп аталатын бағытталған Гамильтон жолының проблемасы деп аталатын әйгілі математика және информатика мәселесінде ДНҚ-ны қалай қолдана алатыныңызды көрсетіңіз (бірақ Гамильтон жолы проблемасы саяхатшы проблемасының сәл өзгеше нұсқасы, біздің мақсатымыз үшін олар бір-біріне ауысады).

Саяхатшылардың проблемасы қандай?

Саяхатшылардың проблемасы оны анықтайтын болғандықтан, компанияда сатушы бар, ол міндетті түрде келуі керек n қоңыраулар шалатын және әр қалаға тек бір рет баруға болатын қалалар саны. Барған қалалардың қандай тізбегі ең қысқа, демек, ең арзан жолды ұсынады?

Қашан n 5-ке тең, есепті қолмен қағаз бетінде жасауға болады және классикалық компьютер барлық мүмкін жолдарды салыстырмалы түрде тез тексере алады. Бірақ егер n 20-ға тең ме? 20 қала арқылы ең қысқа жолды табу есептеу қиынға соғады және оның жауабын табу үшін классикалық компьютер геометриялық түрде ұзақ уақытты қажет етеді.

500 қаланың арасындағы ең қысқа жолды табуға тырысыңыз, және бұл ең қысқа жолды табу үшін Әлемнің бүкіл өмір сүру мерзімінен гөрі классикалық компьютер ұзақ уақытты алады, өйткені біз ең қысқа жолды тапқандығымызды тексерудің жалғыз жолы - бұл қалалардың әрбір ауыстыруын тексеру. . Кейбір алгоритмдер динамикалық есептеуді қолдана отырып қажет теориялық тексерулер санын азайтуға мүмкіндік береді (және Гамильтон жолының нақты проблемасы графиктегі әр түйінді тексеруді қажет етпейді), бірақ бұл бірнеше миллион жылдарды шыңнан алшақтатуы мүмкін; Классикалық компьютерде бұл мәселе шешілмейді, бірақ есептеу мүмкін емес.

ДНҚ-ны есептеу бұл мәселені қалай шешеді

Адлеманның көрсете алған нәрсесі - ДНҚ-ны ДНҚ блоктарына толы пробирка бір уақытта саяхаттаушы сатушы проблемасындағы барлық мүмкін жолдарды кодтау үшін өздері жиналатындай етіп жинауға болады.

ДНҚ-да генетикалық кодтау A, T, C және G деп аталатын төрт түрлі молекулалармен ұсынылған. Бұл төрт «бит» шынжырға байланған кезде керемет мөлшерде мәліметтерді сақтай алады. Адам геномы жасушаның бір ядросына жиналатын нәрсемен кодталған.

Осы төрт молекуланы пробиркаға араластыру арқылы молекулалар өздерін табиғи түрде ДНҚ тізбектеріне біріктірді. Егер осы молекулалардың қандай да бір тіркесімі қаланы және ұшу жолын бейнелейтін болса, ДНҚ-ның әрбір тізбегі сатушы үшін әр түрлі ұшу жолын көрсетуі мүмкін, олардың барлығы дереу өздерін параллель құрастыратын ДНҚ тізбектерінің синтезінде есептеледі.

Содан кейін, сізде ең қысқа жол қалмайынша, ұзын жолдарды сүзгілеу туралы мәселе болуы мүмкін. Ол өз мақаласында мұны 7 қаламен қалай жасауға болатындығын және ДНҚ тізбектері синтезделгеннен кейін мәселенің шешімі кодталатындығын көрсетті.

Бұл толқудың себебі ДНҚ құрылымдарының арзан, өндірісі салыстырмалы түрде жеңіл және масштабталатындығында болды. ДНҚ-ны есептеу теориялық тұрғыдан алатын қуатта шек жоқ, өйткені оның күші сіз теңдеуге қосатын молекулаларды көбейтеді және бір уақытта бір логикалық операцияны орындай алатын кремний транзисторларынан айырмашылығы, бұл ДНҚ құрылымдары теориялық тұрғыдан сонша есептеулер жасай алады мәселені шешу үшін қажет уақыт және бәрін бірден жасау.

Мәселе жылдамдықта. Адлеманның саяхатшылар мәселесін шешуі оның пробиркадағы ДНҚ тізбегіне енуі үшін бірнеше минут қажет болса да, ол іздеген оңтайлы шешімді табу үшін жаман шешімдерді сүзуге бірнеше күн қажет болды -кейін осы бір есептеулерге тыңғылықты дайындық.

Дегенмен, тұжырымдама сенімді болды және сақтау сыйымдылығы мен есептеу жылдамдығында керемет жетістіктерге жету мүмкіндігі айқын болды. Бұл практикалық ДНҚ-ны қалай құруға болатындығы туралы жиырма жылдық зерттеулерді бастады.

ДНҚ-ны есептеудің артықшылығы неде?

Адлеманның қағазында көрсетілгендей, ДНҚ-ны есептеудің классикалық компьютерлерден, тіпті кванттық есептеуіштерден басты артықшылығы - сансыз есептеулерді қатар жүргізе алады. Параллельді есептеудің бұл идеясы жаңа емес және ондаған жылдар бойы классикалық есептеулерге еліктеп келеді.

Бір уақытта компьютерде екі қосымшаны іске қосқанда, олар бір уақытта жұмыс істемейді; кез келген уақытта тек бір нұсқаулық орындалуда. Егер сіз музыка тыңдап, браузер арқылы желіде сауда жасасаңыз, онда компьютер шын мәнінде параллельдік көрініс беру үшін контекстті ауыстыру деп аталатын нәрсені қолданады.

Ол бір программаға арналған команданы орындайды, нұсқаулық орындалғаннан кейін сол бағдарламаның күйін сақтайды және бағдарламаны белсенді жадтан шығарады. Содан кейін ол екінші бағдарламаның бұрын сақталған күйін жүктейді, келесі команданы іске қосады, жаңа күйін сақтайды, содан кейін оны белсенді жадтан шығарады. Содан кейін ол келесі бағдарламаны орындау үшін бірінші бағдарламаны қайта жүктейді және т.б.

Әр түрлі бағдарламалар бойынша секундына миллиондаған қадамдар жасау арқылы параллельділіктің пайда болуына қол жеткізіледі, бірақ ештеңе ешқашан қатар жүрмейді. ДНҚ-ны есептеу бұл миллиондаған операцияларды бір уақытта жүзеге асыра алады.

10 триллионнан астам ДНҚ молекулаларын бір текше сантиметрге қысуға болады. Бұл текше сантиметрлік материал теориялық тұрғыдан бірден 10 триллион есептеулер жүргізе алатын және 10 терабайт деректерді сақтай алатын. Көптеген жолдармен кванттық есептеуді тыныс алатын, бірақ дұрыс емес басу керек болып табылады ДНҚ-ны есептеу арқылы мүмкін.

ДНҚ-ны есептеуді кванттық есептеудің толықтырушысы деп қарастырған жөн, сондықтан жұптасып, Синглтон стиліндегі менеджер ретінде жұмыс істейтін классикалық компьютер басқарған кезде, адамдар болашақта көруге үміттенетін есептеу қуаты күрт артады. шын мәнінде мүмкін болады.

ДНҚ компьютерлерінің келуіне қанша уақыт қажет

Біз 1994 жылдан бері ұзақ жолды жүріп өттік. Адлеман өзінің мақаласын жариялағаннан кейін көп ұзамай зерттеушілер ДНҚ-дан логикалық қақпаларды - электр тогынан күрделі шын және жалған логикалық теңдеулер құра алатын жеке транзисторлардан құрастырылған тізбек бөліктерін сала алды. .

Осы айда ғана Дэвис пен Калтехтегі Калифорния университетінің компьютерлік ғалымдары ДНҚ молекулаларын синтездеді, олар құрылымдарға өзін-өзі жинай алатын алты биттік кірістерді қолданып, өз бағдарламаларын іске қосады.

Майкрософтта ДНҚ-ны есептеу бағдарламалау тілі де бар, ол био процессорлар технологиясы жетілдірілген алгоритмдерді басқара алатын деңгейге жеткеннен кейін ДНҚ-ны есептеуді практикалық етуге көмектеседі. Шын мәнінде, Microsoft 2020 жылға қарай өзінің бұлтты қызметтеріне ДНҚ-есептеулерін енгізуді және оның бұлтты қызметтеріне кіру үшін ДНҚ-ның деректерін сақтауды белсенді түрде дамытуды жоспарлап отыр.

Бұл жетістіктер кванттық есептеудегі жетістіктерге қарағанда тезірек жүзеге асатын сияқты. Кванттық есептеулер кубиттерді кез-келген нақты есептеулерді орындау үшін жеткілікті деңгейде ұстап тұру үшін күрделі техниканы, асқын өткізгіштерді және өте суық жағдайларды қажет етеді, және біз бөлме температурасында асқын өткізгіш ретінде жұмыс істей алатын материал жасамасақ, олар олардың жолына түсе алмайды. жақын арада біздің компьютерлер.

ДНҚ-ны есептеу, біз CRISPR арқылы ДНҚ тізбегінің бір генін алмастыратын деңгейге дейін манипуляциялауға машықтанған ДНҚ-ны қолданады. ДНҚ молекулаларын синтездеуге қажетті материалдар арзан және қол жетімді және бөлме температурасында және одан тыс жерлерде тұрақты болып қалады. Берілген ДНҚ-ның төзімділігі мен биологиялық параллелизмге ДНҚ-ны есептеу мүмкіндігі қандай болуы мүмкін, бұл есептеу болашағына маңызды қадам болып табылады.


Бейнені қараңыз: Learn Easiest Henna Mehndi Design. Step by Step Mehendi Designs for Hand. MehndiArtistica 2020 (Шілде 2022).


Пікірлер:

  1. Aviram

    The made you do not turn back. That is made, is made.

  2. Berend

    Сәбилер ең жоғары баға!!!

  3. Kazitaur

    I congratulate, by the way, this thought occurs

  4. Koby

    I will know, I thank for the information.



Хабарлама жазыңыз