Το μέλλον της αποθήκευσης: «Πάντρεψαν» συνθετικό DNA με ημιαγωγούς για νέας γενιάς data centers!

Σύνοψη

• Ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Penn State ανέπτυξε μια νέα συσκευή μνήμης (memristor) που ενώνει συνθετικό DNA με ημιαγωγούς περοβσκίτη.
• Το DNA αποτελεί το πιο αποδοτικό μέσο αποθήκευσης στη φύση, ικανό να διατηρήσει περίπου 215 εκατομμύρια Gigabytes (215 Petabytes) δεδομένων ανά γραμμάριο υλικού.
• Μέσω της διαδικασίας του εμπλουτισμού (doping) με ιόντα αργύρου, οι ερευνητές μετέτρεψαν το συνθετικό DNA σε ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό, επιτρέποντας την απρόσκοπτη επικοινωνία του με τα ηλεκτρονικά κυκλώματα.
• Το νέο βιο-υβριδικό σύστημα επιτυγχάνει τεράστια πυκνότητα αποθήκευσης με εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, διατηρώντας την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος ακόμη και χωρίς τροφοδοσία.
• Η αρχιτεκτονική της συσκευής επιτρέπει την αποθήκευση και την επεξεργασία δεδομένων στον ίδιο ακριβώς φυσικό χώρο, προσομοιώνοντας τη λειτουργία των νευρώνων του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Η διαρκής αύξηση του όγκου των παραγόμενων δεδομένων παγκοσμίως φέρνει τις παραδοσιακές τεχνολογίες αποθήκευσης με βάση το πυρίτιο στα φυσικά τους όρια. Η απάντηση στις προκλήσεις της πυκνότητας και της ενεργειακής κατανάλωσης προέρχεται πλέον από τη βιολογία. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Penn State προχώρησαν στην επιτυχή ενσωμάτωση συνθετικού DNA σε συστήματα ημιαγωγών περοβσκίτη, δημιουργώντας μια νέα κλάση συσκευών μνήμης με θεωρητική χωρητικότητα που αγγίζει τα 215 εκατομμύρια Gigabytes ανά γραμμάριο.

Τι είναι η βιο-υβριδική μνήμη DNA και πώς λειτουργεί;

Η νέα βιο-υβριδική συσκευή μνήμης (memristor) βασίζεται στη σύντηξη δύο εντελώς διαφορετικών δομικών υλικών: του συνθετικού DNA και των ημιαγωγών περοβσκίτη, δημιουργώντας ένα κύκλωμα ικανό να διατηρεί τεράστιο όγκο δεδομένων χωρίς συνεχή παροχή ενέργειας.

Για να καταστεί εφικτή η συνεργασία ενός βιολογικού μακρομορίου με την παραδοσιακή ηλεκτρονική, η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε μια εξειδικευμένη μέθοδο εμπλουτισμού (doping). Εισάγοντας ιόντα αργύρου και άλλα νανοσωματίδια στη δομή του DNA, κατάφεραν να το μετατρέψουν από έναν απλό βιολογικό φορέα πληροφορίας σε ένα αγώγιμο, προγραμματιζόμενο νανοϋλικό. Αυτή η διαδικασία ευθυγραμμίζει τις δομικές μονάδες του DNA, επιτρέποντας την απρόσκοπτη μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων προς και από το στρώμα του περοβσκίτη, ενός υλικού με κορυφαίες οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες.

Η αρχιτεκτονική των memristors και η Νευρομορφική Πληροφορική

Η συσκευή που κατασκεύασαν οι ερευνητές ανήκει στην κατηγορία των memristors (memory resistors). Σε αντίθεση με τη μνήμη RAM ή τους παραδοσιακούς δίσκους αποθήκευσης, τα memristors έχουν την ιδιότητα να «θυμούνται» την κατεύθυνση και την ποσότητα του ηλεκτρικού ρεύματος που πέρασε από μέσα τους, ακόμη και όταν η παροχή ρεύματος διακοπεί πλήρως.

Αυτό το τεχνικό χαρακτηριστικό επιλύει το διαχρονικό πρόβλημα του "Von Neumann bottleneck" — την καθυστέρηση και την ενεργειακή σπατάλη που προκαλείται από τη διαρκή μεταφορά δεδομένων μεταξύ του επεξεργαστή (CPU) και της μονάδας αποθήκευσης. Στα memristors με βάση το DNA, η αποθήκευση και η επεξεργασία της πληροφορίας εκτελούνται στην ίδια φυσική τοποθεσία. Η συγκεκριμένη λειτουργία προσομοιώνει άμεσα τις συνάψεις των νευρώνων στον ανθρώπινο εγκέφαλο, θέτοντας τα θεμέλια για πολύ πιο αποδοτικά συστήματα νευρομορφικής πληροφορικής (neuromorphic computing).

Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτής της αρχιτεκτονικής περιλαμβάνουν:

• Μηδενική κατανάλωση σε κατάσταση ηρεμίας: Η πληροφορία εγγράφεται δομικά στο κύκλωμα.
• Υψηλή ταχύτητα εναλλαγής: Ο περοβσκίτης λειτουργεί ως εξαιρετικός καταλύτης για την αλλαγή ηλεκτρικών καταστάσεων.
• Μαζική παραλληλοποίηση: Δυνατότητα ταυτόχρονης εκτέλεσης υπολογισμών ακριβώς στο σημείο αποθήκευσης.

Το βασικότερο επιχείρημα υπέρ της αποθήκευσης δεδομένων στο DNA είναι η ασύλληπτη φυσική του πυκνότητα. Ένα (1) γραμμάριο DNA μπορεί να χωρέσει περίπου 215 Petabytes (ή 215 εκατομμύρια Gigabytes) δεδομένων. Εάν εφαρμόσουμε αυτούς τους αριθμούς στα σημερινά δεδομένα, ολόκληρος ο όγκος πληροφορίας που υπάρχει αυτή τη στιγμή στο παγκόσμιο διαδίκτυο θα μπορούσε θεωρητικά να αποθηκευτεί σε έναν χώρο στο μέγεθος ενός απλού κουτιού παπουτσιών.

Η ενσωμάτωση τέτοιων χωρητικοτήτων στα data centers θα σημάνει τη ριζική αλλαγή του τρόπου με τον οποίο διαχειριζόμαστε τα «ψυχρά δεδομένα» (δεδομένα που αποθηκεύονται για δεκαετίες χωρίς απαίτηση άμεσης, καθημερινής ανάγνωσης, όπως κρατικά αρχεία, ιατρικό ιστορικό και επιστημονικά μοντέλα).

Με τη ματιά του Techgear

Η σύζευξη της επιστήμης των υλικών με τη συνθετική βιολογία προσφέρει μετρήσιμες και απολύτως πρακτικές λύσεις στα αδιέξοδα της σύγχρονης τεχνολογίας. Η έρευνα του Penn State καταρρίπτει το επιχείρημα ότι το πυρίτιο είναι η μοναδική οδός για τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Αντιθέτως, αποδεικνύει ότι τα βιο-υβριδικά συστήματα είναι πλήρως συμβατά με τις υπάρχουσες βιομηχανικές μεθόδους (όπως οι ημιαγωγοί περοβσκίτη). Αν και βρισκόμαστε σε ερευνητικό στάδιο (R&D), η χρήση του "doping" για να καταστεί το DNA αγώγιμο και η ενσωμάτωση του σε memristors επιβεβαιώνει πως η νευρομορφική πληροφορική δεν αποτελεί απλώς ακαδημαϊκό στόχο, αλλά τον άμεσο, εφαρμόσιμο αντικαταστάτη της τωρινής SSD τεχνολογίας στις υποδομές μεγάλης κλίμακας.