Energooszczędna informatyka czerpiąca inspiracje z natury
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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Szwecji, koordynator projektu Bio4Comp(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i spełnialności(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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
