Биологические интегральные схемы разрабатывают в МФТИ
Графический абстракт. Изображение с сайта www.rlocman.ru
Развитие классической электроники постепенно упирается в физические ограничения. Дальнейшее уменьшение размера транзисторов становится всё более сложной задачей. В качестве альтернативного пути учёные предлагают использовать вычислительные способности молекул ДНК, которые уже зарекомендовали себя в медицинской диагностике. Однако ключевая проблема заключалась в том, чтобы эффективно сопрячь быстродействующую электронику с биохимическими процессами.
Учёные из МФТИ предложили способ создания гибридных процессоров, где ДНК и белки выступают в роли активных элементов, нанесённых на поверхность кремниевых чипов. Идея развивает уже существующие технологии биосенсоров, где биомолекулы успешно сочетаются с транзисторами. Следующий шаг — научить такие «биологические интегральные схемы» выполнять более сложные вычислительные операции.
Принцип работы таких схем основан на уникальных свойствах биомолекул. Молекулы ДНК можно запрограммировать на взаимодействие по правилам логических элементов. Когда одна молекула замещает другую на поверхности транзистора, это меняет электрический заряд и, соответственно, протекающий через него ток. Таким образом, химическая реакция преобразуется в цифровой сигнал. Белки в свою очередь способны изменять пространственную конфигурацию под действием света, температуры или химических соединений, что также фиксируется электронным чипом.
В отличие от обычного процессора, выполняющего операции последовательно, в одном объёме жидкости могут одновременно работать миллиарды молекул, каждая из которых обрабатывает свой фрагмент задачи. Это открывает возможности для быстрого анализа данных, например, для комплексной диагностики по капле крови или для ускорения алгоритмов распознавания образов в системах искусственного интеллекта. Кроме того, подобные вычисления потенциально требуют значительно меньше энергии. Разработка таких сложных гибридных систем предъявляет повышенные требования к производству печатных плат, на которых будут размещаться управляющие электронные узлы, а также к монтажу BGA микросхем при сборке высокоплотных интерфейсов для коммуникации между кремниевой и биологической частями устройства.
По оценкам учёных, технология в первую очередь будет востребована в персонализированной медицине, где необходим быстрый и точный анализ сложных биологических данных. Также она может применяться в системах безопасного хранения информации и создании новых методов шифрования. На данный момент разработка находится на этапе лабораторных исследований.
По материалам: mipt.ru