Наночастичная вычислительная архитектура для нейросетей и ДНК-компьютеров

МЕНЮ


Искусственный интеллект
Поиск
Регистрация на сайте
Помощь проекту

ТЕМЫ


Новости ИИРазработка ИИВнедрение ИИРабота разума и сознаниеМодель мозгаРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информацииМатематикаЦифровая экономика

Авторизация



RSS


RSS новости


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.

nanoparticle logic gates
Наночастичные логические вентили на липидной мембране. Seo et al., Sci.Adv.,5(2), eaau2124 (2019).

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

gold and silver nanoparticles
Золотые и серебряные наночастицы — снимок электронного микроскопа (вверху) и рассеянное изображение темнопольной микроскопии (внизу).

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.
kinetics of the nanoparticle logic gate
Реакционная кинетика логического вентиля «YES» (ввод «1» и «0»). Seo et al., Sci.Adv.,5(2), eaau2124 (2019).

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.

Nanoparticle neural network with 3 inputs
Наночастичная нейросеть (NNN) с тремя каналами ввода — реализация в виде трёхслойного перцептрона. Весовые коэффициенты wi,j, vi в этой схеме можно реализовать посредством управляющих ДНК разного вида.

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.


Источник: 22century.ru

Комментарии: