Skip to main content
European Commission logo
polski polski
CORDIS - Wyniki badań wspieranych przez UE
CORDIS
CORDIS Web 30th anniversary CORDIS Web 30th anniversary

Parallel network-based biocomputation: technological baseline, scale-up and innovation ecosystem

Article Category

Article available in the following languages:

Energooszczędna informatyka czerpiąca inspiracje z natury

Korzystanie z komputerów elektronicznych wiąże się ze zużywaniem ogromnych ilości energii. Oparta na sieci bioinformatyka wykorzystująca do obliczeń moc maszyn biomolekularnych może być kluczem do rozwiązania złożonych problemów przy jednoczesnym znacznym oszczędzaniu energii.

Gospodarka cyfrowa icon Gospodarka cyfrowa

Tak zwane superkomputery są często wykorzystywane do rozwiązywania wielu skomplikowanych technologicznie i społecznie kwestii. Mogą one dotyczyć prognozowania pogody i badania klimatu, a także modelowania molekularnego bądź symulacji planów lotu lub aerodynamiki statków kosmicznych. Problemem tkwi w tym, że superkomputery te zużywają ogromne ilości energii elektrycznej. Oznacza to, że rozwój coraz bardziej wydajnych komputerów jest utrudniony ze względu na ograniczone możliwości chłodzenia ich procesorów. „Komputery potrzebują dużej ilości energii elektrycznej, aby wykonywać obliczenia”, mówi Heiner Linke z Uniwersytetu w Lund w Szwecji, koordynator projektu Bio4Comp. „Jeśli do rozwiązania danego problemu niezbędne jest wykonanie dużej liczby operacji, zazwyczaj wiąże się to ze znacznymi wydatkami energii. Jest to wyzwanie nie tylko w kontekście kosztów i zrównoważonego rozwoju, ale również radzenia sobie z wydzielanym ciepłem”. Ponadto superkomputery nie zawsze radzą sobie z wykonywaniem wielu operacji w tym samym czasie. Mogą więc okazać się nieefektywne przy opracowywaniu złożonych zagadnień, takich jak alokacja zasobów w procesach przemysłowych.

Obliczenia oparte na sieci

Zespół finansowanego ze środków UE projektu Bio4Comp starał się sprostać tym wyzwaniom poprzez tworzenie nowych bioinformatycznych rozwiązań opartych na sieci (ang. network-based biocomputation, NBC). Jest to podejście wykorzystujące obliczenia równoległe oraz moc i wydajność maszyn biomolekularnych, które umożliwia rozwiązywanie złożonych problemów w rozsądnych ramach czasowych przy niskich kosztach energii. „Proszę wyobrazić sobie chip komputerowy, który działa, spalając kilka nanogramów biopaliwa zamiast kilowatów energii elektrycznej”, mówi Linke. Takie rozwiązanie zużywałoby znacznie mniej energii niż zwykłe komputery i umożliwiłoby zmniejszenie zużycia energii i rozpraszania ciepła.

Działanie maszyn biomolekularnych

Zespół projektu realizował cele projektu poprzez połączenie dwóch oryginalnych pomysłów. Pierwszy z nich dotyczył sprzętu. Na krzemowym chipie wytrawiono kanały o wielkości rzędu nanometrów. Tworzą one labirynt odpowiadający algorytmowi matematycznemu. „Drugi z pomysłów dotyczył wykorzystania biomolekuł, które sprawdzają wszystkie możliwe sposoby przejścia przez labirynt, a tym samym wykonują rzeczywistą operację matematyczną”, dodaje Linke. Te biomolekularne maszyny – włókna cytoszkieletowe napędzane przez silniki molekularne – mają wielkość zaledwie kilku miliardowych części metra. Gdy docierają do węzła w sieci, albo dodają liczbę do sumy, którą obliczają, albo ją pomijają. Dzięki temu każda biocząsteczka działa jak maleńki komputer. Pojedyncza biomolekuła jest znacznie wolniejsza niż przeciętny komputer, ale cząsteczki te mają właściwości samoorganizacyjne, więc użycie dużych ilości biomolekuł przekłada się na szybkie zwiększenie ich mocy obliczeniowej. Zespół projektu z powodzeniem przetestował swój model NBC na serii konkretnych problemów matematycznych wymagających bardzo dużej liczby obliczeń. „Skupiliśmy się problemie dokładności pokrycia i spełnialności, ale jesteśmy przekonani, że istnieją także inne problemy, których rozwiązanie może ułatwić architektura NBC”, komentuje Linke.

Cyfryzacja neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla

W ramach projektu Bio4Comp wykazano, że wykorzystanie NBC jest obiecującym podejściem do rozwiązywania złożonych problemów obliczeniowych i charakteryzuje się znacznie niższym zużyciem energii niż procesory elektroniczne. „Stworzyliśmy platformę obliczeniową, której zużycie energii jest o rzędy wielkości mniejsze niż przy obliczeniach elektronicznych”, dodaje badacz. „To nasz wkład w rozwój cyfrowego przemysłu neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla”. Na przeszkodzie stoją jednak znaczące wyzwania związane ze skalowaniem technologii. Zespół projektu odnosi się do nich w planie działań, w którym opisano kluczowe kwestie naukowe i technologiczne mające wpływ na skalowanie NBC. „Określamy techniczne poziomy odniesienia, które należy osiągnąć lub przekroczyć, a także proponujemy rozwiązania, które mogą to umożliwić”, podsumowuje Linke. Należą do nich metody wytwarzania nanoskalowych sieci fizycznych na dużą skalę.

Słowa kluczowe

Bio4Comp, energia, obliczenia, biomolekularny, węgiel, digitalizacja, superkomputery

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania