Создание масштабируемых вычислительных архитектур на основе наночастиц наталкивается на ряд ограничений, затрудняющих их применение для обработки информации с помощью молекулярных вычислительных схем (ДНК-компьютеров). Группа корейских химиков из Сеульского национального университета представила перепрограммируемый наночастичный «биокомпьютер» на подложке в виде липидной мембраны. Наночастицы на липидном чипе выполняют роль аппаратного обеспечения, эмулируя устройства памяти, процессор и устройства вывода. Программным обеспечением выступают цепи ДНК, которые передают управляющие команды для программирования логических схем. Такая молекулярная архитектура позволила создать наночастичную нейросеть с прямой связью, или перцептрон. Система может выполнять полный набор булевых операций, при этом является программируемым и масштабируемым устройством с возможностью перезагрузки (сброса в исходное состояние). Статья по результатам исследований вышла в начале сентября 2020 года в Science Advances.
Архитектура фон Неймана в вычислительных машинах и в ДНК-вычислениях
В прошлом вычислительные машины могли выполнять только определённую встроенную программу. Перепрограммирование для другой задачи требовало физического переподключения их составных элементов (например, выставления коммутаторных клемм и перемычек). Архитектура фон Неймана (VNA), разработанная в 1945 году, определяет принцип действия вычислительной машины, в памяти которой хранится программа для выполнения некоторого набора действий. Устройство обрабатывает информацию, последовательно считывая данные и управляющие команды из памяти, и подаёт соответствующий результат на вывод устройства. Один из основных принципов этой архитектуры — хранение и программы, и данных в одном и том же массиве ячеек памяти, какова бы ни была физическая реализация таких устройств памяти. По такому принципу работают почти все современные компьютеры, и он теперь кажется нам естественным. Альтернатива архитектуре фон Неймана — например, гарвардская архитектура, в которой для потока данных и потока управляющих инструкций предусмотрены отдельные шины. Этот принцип также применяется, он более знаком по современным программируемым микроконтроллерам.
ДНК-компьютеры, или молекулярные вычисления с наноструктурами допускают использование многих технологий, в частности, реализацию логических вентилей на наночастицах, биодатчиков на уровне отдельных молекул и логических сенсоров. Но эти системы, как правило, ограничены одной встроенной «программой» — так же, как ранние жёстко запрограммированные вычислительные устройства 1940-х годов. Такие ограничения возникают из-за того, что «программное обеспечение» (функция) и наноструктурное «устройство» рассматриваются как одно целое. Липидные двухслойные мембраны оказались носителем, который позволяет преодолеть это ограничение и компартментализировать молекулы и наночастицы. В прошлом году эта же исследовательская группа представила вычислительную платформу на основе наночастиц на двухслойной липидной мембране, названную «липидным нанопланшетом» (LNT, Lipid Nano-Tablet), однако это всё ещё была схема с фиксированной логикой. Следующий шаг — переход к программируемому вычислительному устройству с возможностью перезаписи управляющих программ, то есть к устройству фон Неймана на наночастицах (NVNA, nanoparticle-based von Neumann architecture). Архитектура фон Неймана предполагает возможность выполнения произвольных логических операций на вычислительном устройстве в виде молекулярного чипа без необходимости перемонтажа устройства.
«Аппаратная» и «программная» реализация архитектуры фон Неймана в биокомпьютере
Для выполнения молекулярных вычислений на наночастичном «устройстве» с архитектурой фон Неймана необходимо обеспечить загрузку управляющей программы на «нанопланшет» — липидную двухслойную подложку с наночастицами. Липидный чип включает три типа ДНК-модифицированных наночастиц — частицы нанопамяти (nano-memory, NM), «нанопоплавки» (nano-floaters, NF) и «нанооповещатели» (nano-reporters, NR). Элементы NM и NR — неподвижные наночастицы, выполняющие роль, соответственно, молекулярного накопителя информации и устройства вывода. Они представляют собой сферические золотые и серебряные частицы размером 50 нм и различаются на снимках темнопольной микроскопии, давая, соответственно, зелёное и синее изображение в рассеянном свете, как на картинке в начале заметки (панель C). К наночастицам прикрепляются олигонуклеотиды — фрагменты ДНК, которые затем и обеспечивают «сцепление» различных частиц по механизму ДНК-гибридизации. Мобильные наночастицы, или «нано-поплавки» NF могут свободно диффундировать по мембране и сталкиваться с неподвижными частицами, присоединяясь к тем или другим в зависимости от закодированной частицами NM молекулярной информации и внешних управляющих кодов («программы») в виде набора управляющих ДНК. Частицы NF тем самым выполняют роль вычислительного процессора.
Функционирование логической схемы включает три этапа (см. панель B на рисунке в начале заметки).
- Первый шаг работы схемы — запись молекулярной информации на «устройство» нанопамяти NM посредством ДНК-гибридизации. Например, отдельная частица NM может выполнять роль однобитового устройства памяти, в котором состояния 0/1 кодируются как соответствующие бистабильные состояния. Запись состояния выполняется введением раствора с «ДНК ввода». Соответствующая гибридизация ДНК переводит ячейку из исходного состояния, принимаемого за 0, в состояние 1.
- Далее следует выполнение логической операции подачей управляющих сигналов как сочетания управляющих ДНК для инициации конкурирующих соединений наночастиц с различной кинетикой в зависимости от состояния ячейки памяти. Так, упрощённо «вывод» такого устройства выглядит как ассоциация всех NF с NM, если результат логической операции в ячейке «0» и ассоциация NF — NR при результате «1». Это показано на открывающей картинке, панель E, на примере тривиального логического вентиля «YES» (просто перевод 0 ? 0 и 1 ? 1).
- И, наконец, для сброса («перезагрузки») «устройства» используется подогретый буферный соляной раствор пониженной концентрации. Он расцепляет гибридизированные ДНК и возвращает «планшет» в исходное состояние без разрушения структуры мембраны.
Для подачи команд на «нанопоплавки» используются два вида управляющих ДНК, названные «ДНК захвата» (Trap DNA) и «ДНК оповещения» (Report DNA). ДНК первого типа связывают нано-поплавки NF с «зелёными» частицами памяти NM, формируя структуры, участвующие в принятии логических решений. «ДНК оповещения» предназначены для связи NF с «синими» частицами NR. Концентрация управляющих ДНК и плотность частиц подбираются для обеспечения необходимого соотношения скоростей химических реакций: кинетика реакций «ДНК захвата» выше, чем у «ДНК оповещения». Это позволяет выполнять условные переходы «if — then — else», как в классических программных алгоритмах: у пар NF — NM есть достаточно времени с точки зрения кинетики реакций, чтобы проверить выполнение условия If на входе перед переходом на ветку «Else», за которую отвечает «медленная» кинетика ДНК оповещения. Также предусмотрены два типа ДНК захвата — они присоединяются к частицам памяти NM, находящимся в состоянии соответственно 0 или 1. А это уже в полной мере реализует логические вентили всего набора булевой алгебры, поскольку связывание происходит по-разному в зависимости от состояния ячейки памяти — набор инструментов теперь позволяет считывать исходную информацию. «Программа» — это смесь двух видов «ДНК захвата» и «ДНК оповещения» в соответствующих пропорциях, которая кодирует ту или иную операцию.
«Многоразовая» наночастичная нейросеть
Кроме набора булевых операций, которые можно реализовать с любым количеством входных ячеек, исследователи продемонстрировали сеть реакций между множеством наночастиц, связанных посредством управляющих ДНК. Они реализовали перцептрон — простой тип искусственных нейронных сетей для задач двоичной классификации, в виде наночастичной нейросети (NNN, nano-particle network). Здесь, как видно на рисунке из работы, виды наночастиц NM, NF и NR соответствуют входному, скрытому и выходному слою такой нейросети, а взаимодействие между ними аналогично описанному выше механизму для единичных булевых операций. Этот шаг уже позволяет решить задачу масштабируемости и модулярности системы. При увеличении количества наночастичных узлов и соответствующей сложности логической цепи кинетика реакций должна оставаться одинаковой из-за параллельных реакций во многослойном перцептроне.
Авторы предложили пока что простую наночастичную нейросеть-перцептрон, в которой вычислительная архитектура фон Неймана реализована как ДНК-компьютер на чипе в виде липидной мембраны. Такой «планшет» можно сравнительно легко программировать и затем перезагружать для ввода другой управляющей программы, а концепция нейросети допускает её масштабируемость (по крайней мере в теории). В качестве возможных приложений наночастичных вычислительных платформ — задачи глубокого обучения и нейроморфных вычислений для анализа сложной биомолекулярной информации, возможно, интеграция в микрофлюидные устройства и моделирование отклика биосистем.