Uus arvutipõlvkond põhineb elu algmaterjalil

Maailma protsessoritootjad pingutavad pidevalt, et järgmise põlvkonna protsessoriga purustada senised kiirusrekordid. Varem või hiljem jookseb aga see võidujooks umbe. Sein on ees,  kust pole võimalik enam edasi minna.

Praegu kasutatavate, ränil põhinevate mikroprotsessorite puhul jõuab lihtsalt kätte piir, mil nende mõõtmeid pole võimalik enam kärpida ning töökiirust kasvatada. Vaja on uut materjali, mis võimaldaks valmistada veelgi kiiremaid arvuteid, kirjutas Howstuffworks.

Tundub uskumatuna, aga teadlased on uue põlvkonna mikroprotsessorite puhul pööranud pilgu aine poole, millel põhineb kõik elav. Iga elava organismi sees on peidus miljonid looduslikud superarvutid.

Desoksüribonukleiinhape, ehk DNA, mille molekulidest koosnevad meie geenid, võimaldaks potentsiaalselt teha arvutusi palju kiiremini kui ükskõik milline praegu inimeste kätega ehitatud superarvuti. Kui DNA integreerida arvutiprotsessorisse, ehk bioprotsessoritesse, siis võimaldaks see arvuti töökiirust oluliselt tõsta. DNA-molekulide abil on juba lahendatud keerukaid matemaatilisi probleeme.

Siiski pole DNA-arvutid isegi veel mitte lapsekingades. Neid ei leia veel ühestki poest. Siiski on lootus, et ühel päeval võiksid need arvutid mahutada miljardeid kordi rohkem informatsiooni kui praegu teie käsutuses olev tavaline personaalarvuti.

Kümme aastat tagasi polnud DNAl põhinevast arvutist olemas isegi mitte kontseptsiooni. 1994. aastal käis Lõuna-California ülikooli arvutiteadlane Leonard Adleman välja idee, kuidas lahendada DNA abil keerukaid matemaatikaülesandeid. Ta tuli ideele, lugedes DNA topeltheeliksstruktuuri avastaja James Watsoni raamatut „Geeni molekulaarbioloogia”. Moodus, kuidas DNA säilitab infot geenide kohta on vägagi sarnane sellele, kuidas salvestatakse infot arvuti kõvakettal.

Selle idee tõttu nimetatakse Adlemani tihti DNA-arvutite leiutajaks. 1994. aastal ajakirjas Science ilmunud artiklis kirjeldas ta, kuidas DNA abil lahendada nn reisiva müügimehe ülesannet. Eesmärgiks on leida paljude linnade vahel lühim teekond, läbides igat linna vaid kord. Mida rohkem linnu ülesandesse lisada, seda keerulisemaks see muutub.

Adleman näitlikustas, kuidas leida lühim tee seitsme linna vahel. Ilmselt lahendaks igaüks meist praegu selle pliiatsi ja paberi abil selle ülesande kiiremini kui Adleman oma DNA-arvutiga.

Tema töös olid järgmised etapid:

1. Geenide tähistamiseks kasutatakse tähti A, T, C ja G. Erinevad DNA-liinid tähistavad erinevat seitset linna. Erinevad tähekombinatsioonid märgistasid eri linnu ning võimalikku teekonda.

2. DNA-molekule segati katseklaasis, mille käigus osa DNA-juppe ühinesid. Need ühinenud DNA-jadad esindavad võimalikku vastust.

3. Sekundite jooksul tekivad katseklaasis kõik võimalikud vastusevariandid.

4. Valede vastuste eemaldamiseks võttis Adleman appi keemilised reaktsioonid, mille tulemusena jäid alles vaid õiged järjestused, mis vastasid teekonnale seitsme linna vahel.

Adlemani näide viitab sellele, et DNA-arvutite abil saaks lahendada keerukaid ülesandeid. Kuid praegused algelised DNA-arvutid ei suuda pakkuda ränikiipidel põhinevale tehnoloogiale mitte mingit konkurentsi.

Adlemani DNA-arvuti tuli väga kiiresti välja kõigi võimalike vastusevariantidega, kuid valede välistamiseks kulus päevi. Lisaks vajab selline arvuti inimese otsest osalust, kuid DNA-arvutite loomise eesmärk on luua seade, mis suudab töötada iseseisvalt, ilma inimese vahelesekkumiseta.

Kolm aastat pärast Adlemani eksperimente tulid Rochesteri ülikooli teadlased välja DNAst loodud loogikaventiiliga. Tegu on iga arvuti üliolulise osaga, mis konverteerib kahendkoodi reaks signaalideks, mille põhjal arvuti asub ülesandeid lahendama.

DNA-l põhinevad loogikaventiilid on esimene samm selles suunas, et tulevasel arvutil oleks täna tuntud arvutitega sarnane ülesehitus. Elektrisignaalide asemel kasutasid need ventiilid DNA-koode, tõlgendades geneetilise materjali fragmente sisendsignaalina, ühendasid fragmendid kokku ning panid kokku väljundsignaali. Need loogikaventiilid, koos DNAl põhinevate mikrokiipidega võiksid olla bioarvuti puhul tõeline läbimurre.

Kui DNA-arvuti kunagi ehitatakse, siis on see teadlaste hinnangul kompaktsem, korrektsem ja efektiivsem kui praegu kasutusel olevad arvutid.

Ränil põhinevad mikroprotsessorid on olnud arvutites kasutusel juba üle 40 aasta. Pidevalt on tootjad toppinud protsessoritesse aina uusi ja uusi komponente. Moore’i seaduse järgi arvutiprotsessorite kiirus kahekordistub iga kahe aastaga. Seaduse sõnastas Inteli asutaja Gordon Moore 1965. aastal. Paljud on ennustanud, et see seadus peagi enam ei kehti. Piir on ees nii räniprotsessorite kiirusel kui ka sellel, kui palju on võimalik protsessorite mõõtmeid vähendada.

Siin võikski DNA-arvutid viia arvutustehnika uuele tasandile, mis algab pärast Moore’i seaduse kehtivuse lõppu. Räni asendamisel DNAga on mitmeid eeliseid:

• Kuni püsib rakkudel põhinev elu, jagub alati ka DNAd.

• Kuivõrd DNAst pole puudust, siis on ressurss odavalt käes.

• Erinevalt praegustes protsessorites kasutatavatest mürgistest materjalidest oleks DNAl põhinevaid bioprotsessoreid võimalik toota puhtalt.

• DNA-arvutid oleksid palju väiksemad kui tänapäevased arvutid.

DNA peamine eelis on see, et arvutid muutuksid oluliselt väiksemaks, aga samas suudaks mahutada rohkem infot.

Umbes pool kilo DNAd mahutaks rohkem infot kui kõik tänaseni ehitatud arvutid kokku. Pisarasuurune arvuti ületaks võimsuselt maailma praegu võimsaima superarvuti. Ühte kuupsentimeetrisse mahub üle 10 triljoni DNA-molekuli. Niisuguste mõõtmetega arvuti suudaks säilitada 10-terabaiti infot ning sooritada samaaegselt 10 triljonit arvutust. Kui DNA hulka suurendada, saaks ka tehete hulka suurendada.

Erinevalt tavapärastest arvutitest suudavad DNA-arvutid teha paralleelselt mitmeid tehteid. Tavaarvutid toimivad lineaarselt, lahendades ülesandeid kindlas järjekorras. DNA-arvutite paralleelse töö võimet kasutades suudaksid need arvutid lahendada tundidega ülesandeid, mille kallal elektronarvutid ragistaksid sadu aastaid.

Paraku ei maksa esimeste DNA-arvutite puhul eeldada, et neil on peal ka tekstitöötlus, e-maili programm ning kaardimängud. Nad jõuavad esimesena ilmselt valitsusasutuste kasutusse, murdma näiteks salakoode või siis hakkavad lennufirmad neid kasutama, leidmaks kõige efektiivsemaid marsruute.