Calculatoarele biologice ar putea folosi mult mai puțină energie decât tehnologia actuală

Biologia umană este mult mai eficientă din punct de vedere energetic decât calculatoarele actuale.

Calculatoarele moderne sunt un triumf al tehnologiei. Un singur cip de calculator conține miliarde de tranzistori la scară nanometrică care funcționează extrem de fiabil și la o rată de milioane de operații pe secundă.

• Un material controversat a început să fie folosit în chirurgia plastică
• Adevărul simplu și trist: De ce cred oamenii în teoriile conspirației?

Cu toate acestea, această viteză și fiabilitate ridicate sunt însoțite de un consum semnificativ de energie: centrele de date și aparatele IT de uz casnic, cum ar fi computerele și smartphone-urile, reprezintă aproximativ 3% din cererea globală de energie electrică, iar utilizarea inteligenței artificiale va duce probabil la un consum și mai mare.

Dar cum ar fi dacă am putea reproiecta modul de funcționare al calculatoarelor astfel încât acestea să poată efectua sarcini de calcul la fel de rapid ca în prezent, consumând mult mai puțină energie? Aici, natura ne poate oferi unele soluții potențiale.

Rolf Landauer, om de știință de la IBM, a abordat în 1961 întrebarea dacă trebuie să cheltuim atât de multă energie pentru sarcinile de calcul. Aceasta este o sumă foarte mică, în ciuda numeroaselor miliarde de sarcini pe care le îndeplinesc computerele.

Un triumf al tehnologiei

Dacă am putea opera computere la asemenea niveluri, cantitatea de electricitate utilizată în calcul și gestionarea căldurii reziduale cu sisteme de răcire nu ar fi de îngrijorare. Pentru a efectua o operațiune de biți în apropierea limitei Landauer, trebuie efectuată infinit de încet.

Se estimează că, de fapt, calculul în orice perioadă de timp finită va costa o sumă suplimentară care este proporțională cu rata la care sunt efectuate calculele. Cu alte cuvinte, cu cât calculul este mai rapid, cu atât se folosește mai multă energie. Mai recent, acest lucru a fost demonstrat prin experimente create pentru a simula procese de calcul: disiparea energiei începe să crească măsurabil atunci când efectuați mai mult de aproximativ o operație pe secundă.

Procesoarele care funcționează la o viteză de ceas de un miliard de cicluri pe secundă, ceea ce este tipic în semiconductorii de astăzi, utilizează aproximativ 10⁻¹¹J pe bit – de aproximativ zece miliarde de ori mai mult decât limita Landauer.

O soluție poate fi proiectarea computerelor într-un mod fundamental diferit. Motivul pentru care computerele tradiționale funcționează într-un ritm foarte rapid este că funcționează în serie, o operațiune la un moment dat. Dacă în schimb s-ar putea folosi un număr foarte mare de „calculatoare” care lucrează în paralel, atunci fiecare ar putea funcționa mult mai lent.

Un sistem de calcul alternativ

Este chiar posibil să lucrăm în paralel miliarde de „calculatoare” independente? Procesarea paralelă la o scară mai mică este folosită în mod obișnuit deja astăzi, de exemplu atunci când aproximativ 10.000 de unități de procesare grafică sau GPU rulează în același timp pentru antrenarea modelelor de inteligență artificială.

Un sistem de calcul alternativ care este mult mai aproape de ceea ce ar fi necesar pentru a se apropia de limita Landauer este cunoscut sub numele de biocomputație bazată pe rețea. Utilizează proteinele motorii biologice, care sunt mașini minuscule care ajută la îndeplinirea sarcinilor mecanice în interiorul celulelor.

Acest sistem implică, de fapt, codificarea unei sarcini de calcul într-un labirint nanofabricat de canale cu intersecții atent proiectate, care sunt de obicei realizate din modele de polimeri depuse pe plachete de siliciu. Toate căile posibile prin labirint sunt explorate în paralel de un număr foarte mare de molecule lungi sub formă de fire numite biofilamente, care sunt alimentate de proteinele motorii.

Această arhitectură este deosebit de potrivită pentru rezolvarea așa-numitelor probleme combinatorii. Acestea sunt probleme cu multe soluții posibile, cum ar fi sarcinile de programare, care sunt foarte solicitante din punct de vedere computațional pentru computerele seriale. Experimentele confirmă că un astfel de biocomputer necesită între 1.000 și 10.000 de ori mai puțină energie per calcul decât un procesor electronic.

Un singur cip de calculator conține miliarde de tranzistori

Acest lucru este posibil deoarece proteinele motorii biologice sunt ele însele dezvoltate pentru a nu folosi mai multă energie decât este necesară pentru a-și îndeplini sarcina la ritmul necesar.

În prezent, doar mici computere biologice au fost construite de cercetători pentru a demonstra conceptul. Pentru a fi competitiv cu calculatoarele electronice în ceea ce privește viteza și calculul și pentru a explora un număr foarte mare de soluții posibile în paralel, biocalcularea bazată pe rețea trebuie extinsă, scrie LiveScience.

O analiză detaliată arată că acest lucru ar trebui să fie posibil cu tehnologia actuală a semiconductorilor și ar putea profita de un alt mare avantaj al biomoleculelor față de electroni, și anume capacitatea lor de a transporta informații individuale, de exemplu sub forma unei etichete ADN.

Cu toate acestea, există numeroase obstacole în calea scalarii acestor mașini, inclusiv învățarea modului în care să controlați cu precizie fiecare dintre biofilamente, reducerea ratelor de eroare ale acestora și integrarea lor cu tehnologia actuală.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Oamenii de știință au elucidat misterul Mecanismului de la Antikythera, considerat primul calculator din lume

De ce copiilor nu ar trebui să le fie interzise jocurile pe calculator

Calculatorul care scrie după dictare în română: acum se poate scrie mult mai repede şi mai uşor

Drone asistate de calculator pentru monitorizarea viilor şi livezilor în judeţul Cluj