Міжнародна група дослідників під керівництвом фахівців канадського Університету Макгілла (McGill University) представила експериментальний біокомп'ютер, у якому обчислення виконуються не кремнієвими чипами, а рухливими бактеріями, що самостійно досліджують мережу мікроскопічних каналів. За задумом авторів, природне розмноження бактерій працює як процес розпаралелювання обчислень: під час вирішення завдань шифрування, навчання штучного інтелекту та в інших математично складних випадках колонії мікроорганізмів виявляються ефективнішими за процесори із захмарними тактовими частотами. Робота опублікована в межах міжнародного співробітництва, а старшим автором дослідження виступає професор біоінженерії Ден Ніколау (Dan Nicolau).
Принцип роботи: мільйон «чипів» замість одного
На відміну від традиційних процесорів, які послідовно перебирають варіанти рішення, запропонована платформа використовує паралельне переміщення безлічі біологічних агентів. Мережа мікроскопічних каналів є величезним простором можливих маршрутів, проте лише одиниці з них — або навіть один — ведуть до правильної відповіді. Ключова перевага системи полягає у здатності бактерій розмножуватися безпосередньо під час обчислень, що збільшує кількість одночасно працюючих «обчислювальних елементів» без необхідності попереднього завантаження додаткових агентів у систему. «Сучасні електронні комп'ютери виконують мільйони операцій на секунду за допомогою одного чипа, — пояснює Ден Ніколау. — При поділі бактерій у нас одночасно працює мільйон чипів. Що більше чипів, то швидше можна розв'язати задачу, навіть якщо кількість операцій за секунду на кожному „процесорі“ менша». За його словами, експоненціальний поділ бактерій відкриває «абсолютно новий спосіб обчислень».
Задача Subset Sum та мікрорідинна архітектура
Як тестову обчислювальну задачу вчені обрали NP-повну проблему Subset Sum: необхідно було визначити, які комбінації чисел із заданого набору дають певну суму. Для її вирішення виготовили мікрорідинну мережу з полідиметилсилоксану (PDMS), що складається з безлічі з'єднаних каналів і спеціальних вузлів. Кожен можливий маршрут відповідав певній комбінації чисел, а розгалуження та з'єднання каналів виконували роль логічних елементів, де сама біологія змушувала бактерії «вибирати» шлях для подальшого розвитку колонії. Геометрію мікроканалів і вузлів проєктували так, щоб керувати напрямком руху бактерій і мінімізувати помилки. Для виготовлення структур використовували електронно-променеву літографію та травлення кремнієвої підкладки, після чого отриману форму відтворили в пластику.
Два види бактерій — два профілі поведінки
В експериментах застосовувалися два штами: Escherichia coli HCB437 та Vibrio natriegens. Обидва види самостійно переміщалися мережею, обираючи різні маршрути. Водночас V. natriegens, що має високу швидкість розмноження, повністю виправдав очікування: у міру просування каналами бактерії швидко утворювали нові клітини, які продовжували досліджувати доступні маршрути, і кількість обчислювальних агентів збільшувалася безпосередньо всередині системи. Спостереження у вузлах розгалуження показали відмінності в поведінці двох штамів: E. coli обирала лівий і правий напрямки з імовірністю 50,1 % і 49,8 % відповідно, тоді як у V. natriegens спостерігалося виражене зміщення в бік лівого напрямку — 61,1 % проти 38,3 %. Імовірність помилкового проходження прямих вузлів становила 1,3 % для E. coli та 0,3 % для V. natriegens. Відстеження успішних маршрутів здійснювалося за допомогою автоматизованого аналізу зображень, що дозволило дослідникам визначити комбінації, які задовольняють умови задачі.
Не заміна, а доповнення: ніша біокомп'ютера
За словами авторів, біокомп'ютер не покликаний замінити класичні електронні чи квантові комп'ютери. Його роль — стати ресурсоощадним та економічним інструментом для пошуку рішень завдань, які раніше вважалися нерозв'язними у розумні терміни. «Наш метод призначений для розв'язання завдань, які не під силу електронним комп'ютерам, наприклад для картування структури білків, — сказав Ніколау. — Повідомлялося, що ШІ впорався із цим завданням, але це вірно лише частково, оскільки він може лише обробляти доступні дані. Ми пропонуємо використовувати цю технологію для розв'язання проблем, а не для оцінки на основі минулої інформації». Таким чином, біокомп'ютер на базі бактерій позиціонується як спеціалізована платформа для класу завдань, де паралелізм та експоненціальне зростання кількості агентів дають принципову перевагу над послідовною обробкою.
