Máy tính hiện đại cần hàng tỷ transistor và điện liên tục: Hệ DNA mới tính toán bằng nước, muối và một chu kỳ nhiệt

Máy tính điện tử hiện đại giữ hàng tỷ transistor trong trạng thái hoạt động bằng nguồn điện liên tục. Một hệ thống mới của Maynooth University chọn con đường gần như ngược lại: trộn những sợi DNA được thiết kế sẵn trong dung dịch nước và muối, gia nhiệt rồi làm nguội, sau đó để các phân tử tự sắp xếp thành cấu hình biểu diễn đáp án.

Nghiên cứu được công bố ngày 16/9 trên Nature. Nhóm gọi kiến trúc này là Scaffolded DNA Computer (SDC). Họ đã thử nghiệm 10 chương trình khác nhau, gồm nhân với 3, chia cho 2, kiểm tra parity 8 bit và cộng các số 25 bit. Tổng cộng, paper báo cáo hơn 700 phép tính, với input nhị phân tới 50 bit và các bài toán đạt tới 100 bit tính toán.

Điểm lạ không phải DNA, mà là cách máy tính “rơi” về đáp án

DNA computing không phải ý tưởng mới. Trong nhiều hệ trước đây, các chuỗi phân tử phải đi qua những phản ứng được kiểm soát khá chặt để tạo ra kết quả mong muốn. Nếu một phân tử gắn nhầm hoặc phản ứng xảy ra sai thứ tự, hệ có thể cần cơ chế sửa lỗi, những bước tinh sạch hoặc điều kiện nhiệt độ được điều khiển chính xác.

SDC được thiết kế theo một nguyên tắc khác: đáp án đúng đồng thời là trạng thái có năng lượng tự do thấp hơn. Nói đơn giản, thay vì ép hệ đi theo một con đường phản ứng cụ thể, nhóm nghiên cứu thiết kế “địa hình năng lượng” để các cấu hình sai kém ổn định hơn và dần bị thay thế. Khi hệ tiến tới cân bằng nhiệt động, cấu hình đúng có lợi thế.

Kiến trúc gồm một sợi DNA dài đóng vai trò scaffold, được chia thành nhiều vị trí liên kết. Các sợi DNA ngắn hơn hoạt động như những “tile” mang dữ liệu và quy tắc chương trình. Mỗi tile có vùng bám vào scaffold và các vùng tương tác với tile lân cận. Nếu hai tile cạnh nhau không khớp về mặt logic, liên kết đó chịu bất lợi năng lượng và có khả năng bị thay thế bằng cấu hình phù hợp hơn.

Đây là lý do hệ thống có thể hoạt động mà không cần một nguồn năng lượng liên tục để cưỡng ép từng bước tính toán. Năng lượng vẫn cần cho khâu chuẩn bị và chu kỳ nhiệt, nhưng sau đó chính xu hướng tiến tới cân bằng của các phân tử làm phần còn lại.

Nước, muối và nhiệt thực sự đóng vai trò gì?

Trong thí nghiệm điển hình, các sợi DNA được trộn trong dung dịch đệm có ion magnesium rồi đặt trong một chu kỳ nhiệt. Paper mô tả một protocol tiêu chuẩn hạ nhiệt từ 80°C xuống 20°C trong ba giờ, sau đó giữ ở 20°C thêm 45 phút. Với các bài toán nhỏ hơn, nhóm còn thử những chu kỳ rất nhanh, hạ từ 80°C xuống 55°C trong chưa đầy một phút.

Maynooth University mô tả phiên bản dễ hình dung hơn: một giọt nước, muối, các đoạn DNA ngắn và một scaffold DNA dài được cho vào ống nghiệm, rồi hỗn hợp được gia nhiệt và làm nguội. Các phân tử tương tác và hình thành cấu trúc; cấu trúc cuối cùng mang kết quả tính toán.

Điều này không có nghĩa toàn bộ quá trình “không dùng điện”. Trong nghiên cứu, việc gia nhiệt–làm nguội được thực hiện bằng thiết bị PCR, còn kết quả được đọc bằng tín hiệu huỳnh quang. Nói chính xác hơn, bản thân phản ứng tính toán không cần được cấp điện liên tục như mạch transistor.

30 giây cho 10 + 3, nhưng bài toán lớn có thể mất hàng giờ

Tốc độ của SDC phụ thuộc mạnh vào kích thước bài toán. Với các cấu hình nhỏ, nhóm cho biết một số phép tính hoàn thành trong khoảng một phút, và thí nghiệm 10 + 3 được Maynooth University báo cáo ở mức khoảng 30 giây. Đây là tốc độ cao so với nhiều hệ DNA computing trước đó.

Nhưng khi tăng quy mô, lợi thế đó nhanh chóng giảm. Một phép cộng với các số trong khoảng khoảng 11 triệu đến 34 triệu có thể mất tới 14 giờ. Nature cũng lưu ý rằng các phép tính đạt quy mô 100 bit chậm đi đáng kể.

Vì vậy, đây không phải đối thủ của CPU hoặc GPU nếu tiêu chí là số phép toán mỗi giây. Một bộ xử lý silicon có thể thực hiện lượng phép tính lớn hơn nhiều trong thời gian mà DNA mới đang anneal trong ống nghiệm. Giá trị của nghiên cứu nằm ở một hướng kiến trúc khác: tính toán bằng vật chất phân tử, ở mật độ rất cao và có khả năng tiến tới đáp án nhờ nhiệt động lực học thay vì nhờ một chuỗi chuyển mạch điện tử liên tục.

“Chỉ cần DNA” vẫn che giấu một hệ thống khá phức tạp

Headline về nước, muối và nhiệt có thể khiến hệ thống nghe đơn giản hơn thực tế. Các strand không phải DNA ngẫu nhiên. Chúng được thiết kế để mã hóa vị trí, dữ liệu, quy tắc chương trình và cơ chế báo kết quả. Trong toàn bộ hệ thí nghiệm, nhóm cho biết họ đã đặt hàng 1.539 sợi DNA không phải scaffold, ngoài scaffold M13 có nguồn gốc sinh học dùng cho một số cấu hình lớn hơn.

Để đọc output, nhóm sử dụng các sợi gắn fluorophore và quencher. Tín hiệu sáng hoặc bị dập tắt tương ứng với các bit khác nhau. Như vậy, hệ DNA thực hiện phần tính toán ở cấp phân tử, nhưng việc chuẩn bị input và quan sát output hiện vẫn dựa vào hạ tầng phòng lab.

Nhóm cũng thử khả năng tái sử dụng. Một chương trình Bit Copy được đổi input 25 lần, còn các chương trình khác được chạy lại nhiều lần bằng cách bổ sung strand mới để chuyển trạng thái cân bằng sang bài toán kế tiếp. Đây là một điểm thực dụng quan trọng, vì nhiều hệ tính toán phân tử trước đó khó tái khởi động nếu không qua các bước xử lý phức tạp.

Từ ống nghiệm tới ứng dụng còn một khoảng dài

Nghiên cứu hiện là một proof of concept cho mô hình tính toán nhiệt động, không phải một máy tính đa dụng sắp thay thế laptop. Ngay trong paper, các tác giả chỉ ra nhiều chi phí còn tồn tại: số lượng và độ dài các strand DNA, năng lượng cho gia nhiệt và annealing, thời gian tính toán khi scale up, cùng độ phức tạp của việc chuẩn bị và đọc mẫu.

Nhưng mô hình này có thể đáng quan tâm ở những nơi mà silicon không phải lựa chọn tự nhiên. Một hướng là lưu trữ dữ liệu bằng DNA rồi xử lý trực tiếp dữ liệu đó ở cấp phân tử, thay vì phải đọc toàn bộ sang hệ điện tử trước. Một hướng khác là đưa logic tính toán vào các cấu trúc nano hoặc môi trường sinh học, nơi một hệ thống có thể phản ứng với tín hiệu phân tử ngay tại chỗ.

Bước tiếp theo không phải chứng minh DNA có thể cộng hay nhân thêm một lần nữa. Thách thức lớn hơn là mở rộng số vị trí tính toán mà vẫn giữ được tốc độ, độ chính xác và khả năng đọc kết quả, đồng thời giảm số lượng strand phải thiết kế. Nếu làm được, điều đáng chú ý nhất của SDC sẽ không phải là nó “không cần transistor”, mà là nó cho thấy một máy tính có thể được xây dựng để trạng thái cân bằng tự nhiên của vật chất chính là đáp án.