DNA už nemusí uchovávať len naše gény. Vedci z nej vytvorili elektronickú pamäť pre budúce počítače
Vedci vytvorili nový pamäťový prvok zo syntetickej DNA a polovodiča. Dokáže ukladať dáta pri veľmi nízkej spotrebe energie a môže pomôcť AI či dátovým centrám.
DNA poznáme najmä ako molekulu, ktorá uchováva genetickú informáciu v bunkách. Vedci jej však teraz dali úplne inú úlohu. Výskumníci z Penn State University vytvorili elektronické zariadenie, ktoré kombinuje syntetickú DNA so špeciálnym polovodičom. Výsledkom je pamäťový prvok s vysokou hustotou ukladania dát, ktorý podľa autorov potrebuje výrazne menej energie než tradičné riešenia.
Technológia by v budúcnosti mohla nájsť využitie napríklad v zariadeniach pre umelú inteligenciu alebo v energeticky úsporných dátových centrách. Zatiaľ však ide o výskumný prototyp, nie o náhradu SSD či operačnej pamäte v tvojom počítači.
DNA má obrovský potenciál na ukladanie dát
DNA patrí medzi najhustejšie známe spôsoby ukladania informácií. Príroda do nej dokáže zapísať obrovské množstvo genetických údajov. Vedci odhadujú, že jeden gram DNA by teoreticky mohol obsahovať približne 215 miliónov gigabajtov dát. Takáto hustota znie lákavo aj pre elektroniku. Problém však spočíva v tom, že DNA a elektronické súčiastky fungujú úplne odlišným spôsobom. Vedci preto museli nájsť spôsob, ako biologický materiál upraviť tak, aby dokázal spolupracovať s polovodičmi.
Tím z Penn State spojil syntetickú DNA, strieborné nanočastice a kryštalický perovskit. Práve táto kombinácia umožnila vytvoriť nový typ elektronického pamäťového prvku.
„Biológia a elektronika patria do úplne odlišných oblastí,“ uviedla Kavya S. Keremane, jedna z vedúcich autoriek výskumu.
Podľa nej vedci potrebovali vytvoriť úplne novú materiálovú platformu, ktorá dokáže spojiť schopnosť DNA uchovávať informácie s elektronickými vlastnosťami perovskitov.
Neprehliadni
Vedci vytvorili takzvaný memristor
Nové zariadenie patrí medzi memristory. Ide o elektronické súčiastky, ktoré si dokážu zachovať informáciu o predchádzajúcom elektrickom stave. Práve v tom spočíva ich hlavná výhoda. Bežný odpor má určitú elektrickú charakteristiku, no po odpojení napájania svoju predchádzajúcu hodnotu neuchová. Memristor si naopak dokáže „pamätať“, čo sa v zariadení dialo predtým.
Takéto správanie sa podobá fungovaniu neurónov v mozgu. Preto vedci memristory skúmajú aj v súvislosti s neuromorfnými počítačmi, ktoré sa snažia spracovávať informácie podobnejším spôsobom ako ľudský mozog.
Takáto technológia môže byť zaujímavá najmä pre umelú inteligenciu. Moderné AI systémy potrebujú obrovské množstvo dát a ich spracovanie spotrebuje veľa elektriny. Výskumníci nepoužili obyčajnú DNA zo živých organizmov. Vytvorili krátke syntetické úseky DNA, ktorých zloženie a dĺžku mohli presne navrhnúť.
To im poskytlo oveľa väčšiu kontrolu nad vlastnosťami materiálu. Na DNA zároveň aplikovali strieborné nanočastice. Tento proces pomohol zvýšiť jej elektrickú vodivosť a zároveň usporiadať jednotlivé časti do vhodnejšej štruktúry.
„Pomocou počítačových výpočtov dokážeme presne určiť, aké sekvencie potrebujeme a aké dlhé majú byť,“ vysvetlila Neela H. Yennawar, ďalšia členka tímu.
Výskumníci následne spojili upravenú DNA s tenkou vrstvou perovskitu. Vznikla tak bio-hybridná štruktúra, ktorá dokáže viesť elektrický prúd a zároveň uchovávať informáciu.
Zariadenie potrebuje veľmi malé napätie
Výsledky experimentov ukázali zaujímavé vlastnosti. Elektróny dokázali cez zariadenie spoľahlivo prechádzať už pri napätí nižšom ako 0,1 voltu. Pre porovnanie, bežná elektrická zásuvka v Spojených štátoch poskytuje napätie 120 voltov. Samozrejme, nejde o priame porovnanie spotreby energie, pretože ide o úplne odlišné zariadenia a elektrické obvody. Hodnota však ukazuje, s akým malým napätím nový pamäťový prvok dokáže pracovať. Vedci zároveň uvádzajú, že ich zariadenie spotrebovalo približne desatinu energie oproti podobným existujúcim riešeniam. Podľa výskumníkov tak môže ponúknuť zaujímavú kombináciu vysokej hustoty pamäte a nízkej spotreby.
„Naše zariadenie spotrebuje stokrát menej energie a zároveň má vyššiu kapacitu než tradičné úložiská, ako sú flash disky,“ povedal Bed Poudel z Penn State.
Fungovalo aj pri vyššej teplote
Výskumníci zároveň testovali stabilitu zariadenia. Podľa ich výsledkov si pamäťový prvok zachoval svoju funkciu pri izbovej teplote počas viac ako šiestich týždňov. Zvládol tiež teplotu približne 250 stupňov Fahrenheita, teda okolo 121 stupňov Celzia.
Zaujímavé je, že samotná DNA ani samotný perovskit nedosiahli rovnaké výsledky. Práve ich kombinácia vytvorila stabilnejší systém s vhodnými elektrickými vlastnosťami.
„Použitie samotnej DNA alebo samotného perovskitu neprinieslo ani zďaleka taký odolný výsledok ako ich kombinácia,“ uviedla Keremane.
SSD zatiaľ nenahradí
Napriek zaujímavým výsledkom treba mať na pamäti, že vedci zatiaľ vytvorili experimentálny pamäťový prvok. Neznamená to, že sa čoskoro objaví DNA SSD v obchodoch. Výskumníci teraz chcú technológiu ďalej upravovať a skúmať jej využitie v ďalších elektronických zariadeniach. Ak sa podarí podobné materiály vyrábať vo väčšom meradle a spoľahlivo ich integrovať do elektroniky, DNA by mohla dostať úplne novú úlohu.
