Вчені зʼєднали живу молекулу з чипом і отримали дещо неочікуване
Науковці поєднали синтетичну ДНК з напівпровідником і створили енергоощадний пристрій памʼяті для майбутніх технологій.
Дослідники поєднали синтетичну ДНК з напівпровідником і створили пристрій памʼяті, який споживає в рази менше енергії, ніж звичні технології. Новий біогібридний матеріал може зробити майбутні системи штучного інтелекту набагато економнішими за енергією. Дослідники кажуть, що звична електроніка просто не витримує конкуренції з природною щільністю запису інформації, яку має ДНК.
Вчені знайшли спосіб вбудувати ДНК в електроніку і отримали пристрій памʼяті, здатний зберігати величезні обсяги даних, витрачаючи мінімум електрики. Розробка може змінити підхід до створення чипів для штучного інтелекту, які сьогодні споживають дедалі більше енергії.
Науковці з Пенсильванського університету поєднали синтетичну ДНК з напівпровідником перовскітом і отримали матеріал, якого раніше не існувало, повідомляє ScienceDaily. Виявилося, що саме комбінація цих двох компонентів дала результат, якого жоден з них не міг досягти окремо.
Головний факт дослідження такий: новий пристрій пам'яті споживає у сто разів менше енергії, ніж традиційні системи зберігання даних, і водночас має вищу щільність запису, ніж звичайні флешки. Один грам ДНК теоретично здатен вмістити близько 215 мільйонів гігабайтів інформації - це набагато більше за можливості будь-якого сучасного цифрового носія.
[МІСЦЕ ДЛЯ ФОТО: молекула ДНК на тлі мікрочипа; Один грам ДНК теоретично може вмістити 215 мільйонів гігабайтів даних.]
Проблема полягала в тому, що біологічна ДНК і електронні матеріали погано "спілкуються" між собою. Тому вчені не стали використовувати природну ДНК, а створили її синтетичний аналог - хімічно сконструйовані молекули, зібрані у короткі генетичні послідовності під конкретні електронні задачі. Другим компонентом стала кристалічна перовскітна плівка, яку вже застосовують у сонячних панелях, лазерах і накопичувачах даних.
"Біологія та електроніка - це різні світи. Поєднання цих двох галузей вимагало створення абсолютно нової матеріальної платформи, яка дозволяє їм працювати разом безперешкодно. Поєднавши здатність ДНК зберігати інформацію з видатними електронними властивостями перовскітних напівпровідників, ми створили біогібридну систему, що докорінно змінює підхід до створення малопотужних пристроїв памʼяті", - розповіла співавторка дослідження Кав'я Керемане.
З цих матеріалів команда виготовила мемристор - різновид резистора памʼяті, який працює на мінімумі енергії. Звичайні резистори підтримують стабільний опір струму в пристроях від телефонів до космічних човників, але втрачають усю інформацію, щойно зникає живлення. Мемристори влаштовані інакше: вони "запамʼятовують" напрямок попереднього струму навіть після вимкнення живлення.
Ця здатність дозволяє зберігати і обробляти інформацію в одному і тому ж місці - подібно до того, як працюють нейрони в мозку людини. Таке рішення може підтримувати паралельну та складнішу обробку даних одразу. За словами дослідників, звичайні комерційні системи потребували б надто багато памʼяті й електроенергії, щоб стати рентабельними, - і саме тут допомагає унікальна здатність ДНК вміщувати величезні обсяги інформації у крихітному просторі, витрачаючи мало енергії.
Дослідник Бед Поудел зазначив, що штучний інтелект та інші технології майбутнього дедалі більше залежатимуть від нейроморфних обчислень - систем, які працюють за принципом, схожим на людський мозок. Такі системи здатні одночасно оцінювати кілька вхідних сигналів, ухвалюючи рішення на основі попереднього досвіду та майбутніх пріоритетів.
"Зазвичай для зберігання більшого обсягу інформації потрібно більше енергії. Натомість наш пристрій споживає у сто разів менше енергії, а його ємність зберігання вища, ніж у традиційних накопичувачів на кшталт флеш-дисків", - пояснив Поудел.
Щоб створити пристрій, дослідники додали наночастинки срібла до шару спеціально сконструйованих послідовностей ДНК, після чого поєднали цей шар із тонкими плівками перовскіту. Технологія має назву "допування" - це введення невеликої кількості стороннього матеріалу для отримання нових властивостей. У цьому випадку наночастинки срібла дозволили ДНК проводити електричний струм, а також допомогли молекулярним ланцюжкам вишикуватися у впорядкованішу структуру.
Синтетична ДНК має ще одну перевагу над природною - її можна точно налаштовувати під потрібні електронні параметри, тоді як природні молекули для цього не пристосовані. Новий пристрій витримував температури до майже 250 градусів за Фаренгейтом і залишався стабільним за кімнатної температури понад шість тижнів, що суттєво перевищує показники сучасних перовскітних накопичувачів.
Поки що розробка перебуває на етапі патентної заявки та наукових публікацій, тож до появи в комерційних пристроях може минути ще чимало часу. Але напрямок, у якому рухаються дослідники, показує, що майбутнє енергоємних технологій, як штучний інтелект, може залежати не лише від нових чипів, а й від несподіваних рішень, підказаних самою природою.
