Наночастичная вычислительная архитектура для нейросетей и ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов)-компьютеров — uzkinobiz.ru

Создание масштабируемых вычислительных архитектур на базе микрочастиц наталкивается на ряд ограничений, затрудняющих их применение для обработки инфы с помощью молекулярных вычислительных схем (ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов)-компьютеров). Группа корейских химиков из Сеульского государственного института представила перепрограммируемый наночастичный «биокомпьютер» на подложке в виде липидной мембраны. Микрочастицы на липидном чипе делают роль аппаратного обеспечения, эмулируя устройства памяти, микропроцессор и устройства вывода. Программным обеспечением выступают цепи ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов), которые передают управляющие команды для программирования логических схем. Таковая молекулярная архитектура дозволила сделать наночастичную нейросеть с прямой связью, либо перцептрон. Система может делать полный набор булевых операций, при всем этом является программируемым и масштабируемым устройством с возможностью перезагрузки (сброса в начальное состояние). Статья по результатам исследовательских работ вышла в начале сентября 2020 года в Science Advances.

Архитектура фон Неймана в вычислительных машинках и в ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов)-вычислениях

В прошедшем вычислительные машинки могли делать лишь определённую встроенную программку. Перепрограммирование для иной задачки добивалось физического переподключения их составных частей (к примеру, выставления коммутаторных клемм и перемычек). Архитектура фон Неймана (VNA), разработанная в 1945 году, описывает принцип деяния вычислительной машинки, в памяти которой хранится программка для выполнения некого набора действий. Устройство обрабатывает информацию, поочередно считывая данные и управляющие команды из памяти, и подаёт соответственный итог на вывод устройства. Один из главных принципов данной для нас архитектуры — хранение и программки, и данных в одном и том же массиве ячеек памяти, какова бы ни была физическая реализация таковых устройств памяти. По такому принципу работают практически все современные компы, и он сейчас кажется нам естественным. Кандидатура архитектуре фон Неймана — к примеру, гарвардская архитектура, в которой для потока данных и потока управляющих инструкций предусмотрены отдельные шины. Этот принцип также применяется, он наиболее знаком по современным программируемым микроконтроллерам.

Наночастичные логические вентили на липидной мембране. Seo et al., Sci.Adv.,5(2), eaau2124 (2019).

ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов)-компьютеры, либо молекулярные вычисления с наноструктурами допускают внедрение почти всех технологий, в частности, реализацию логических вентилей на микрочастицах, биодатчиков на уровне отдельных молекул и логических детекторов. Но эти системы, обычно, ограничены одной интегрированной «программкой» — так же, как ранешние жёстко запрограммированные вычислительные устройства 1940-х годов. Такие ограничения появляются из-за того, что «программное обеспечение» (функция) и наноструктурное «устройство» рассматриваются как одно целое. Липидные двухслойные мембраны оказались носителем, который дозволяет преодолеть это ограничение и компартментализировать молекулы и микрочастицы. В прошедшем году эта же экспериментальная группа представила вычислительную платформу на базе микрочастиц на двухслойной липидной мембране, нареченную «липидным нанопланшетом» (LNT, Lipid Nano-Tablet), но это всё ещё была схема с фиксированной логикой. Последующий шаг — переход к программируемому вычислительному устройству с возможностью перезаписи управляющих программ, другими словами к устройству фон Неймана на микрочастицах (NVNA, nanoparticle-based von Neumann architecture). Архитектура фон Неймана подразумевает возможность выполнения случайных логических операций на вычислительном устройстве в виде молекулярного чипа без необходимости перемонтажа устройства.

«Аппаратная» и «программная» реализация архитектуры фон Неймана в биокомпьютере

Золотые и серебряные микрочастицы — снимок электрического микроскопа (вверху) и рассеянное изображение темнопольной микроскопии (понизу).

Для выполнения молекулярных вычислений на наночастичном «устройстве» с архитектурой фон Неймана нужно обеспечить загрузку управляющей программки на «нанопланшет» — липидную двухслойную подложку с микрочастицами. Липидный чип включает три типа ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов)-модифицированных микрочастиц — частички нанопамяти (nano-memory, NM), «нанопоплавки» (nano-floaters, NF) и «нанооповещатели» (nano-reporters, NR). Элементы NM и NR — недвижные микрочастицы, выполняющие роль, соответственно, молекулярного накопителя инфы и устройства вывода. Они представляют собой сферические золотые и серебряные частички размером 50 нм и различаются на снимках темнопольной микроскопии, давая, соответственно, зелёное и голубое изображение в рассеянном свете, как на картинке в начале заметки (панель C). К наночастицам прикрепляются олигонуклеотиды — фрагменты ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов), которые потом и обеспечивают «сцепление» разных частиц по механизму ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов)-гибридизации. Мобильные микрочастицы, либо «нано-поплавки» NF могут свободно диффундировать по мембране и сталкиваться с недвижными частичками, присоединяясь к тем либо остальным в зависимости от закодированной частичками NM молекулярной инфы и наружных управляющих кодов («программки») в виде набора управляющих ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов). Частички NF тем делают роль вычислительного микропроцессора.

Функционирование логической схемы включает три шага (см. панель B на рисунке в начале заметки).

1-ый шаг работы схемы — запись молекулярной инфы на «устройство» нанопамяти NM средством ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов)-гибридизации. К примеру, отдельная частичка NM может делать роль однобитового устройства памяти, в котором состояния 0/1 кодируются как надлежащие бистабильные состояния. Запись состояния производится введением раствора с «ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) ввода». Соответственная гибридизация ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) переводит ячейку из начального состояния, принимаемого за 0, в состояние 1.

Дальше следует выполнение логической операции подачей управляющих сигналов как сочетания управляющих ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) для инициации конкурирующих соединений микрочастиц с различной кинетикой в зависимости от состояния ячейки памяти. Так, упрощённо «вывод» такового устройства смотрится как ассоциация всех NF с NM, если итог логической операции в ячейке «0» и ассоциация NF — NR при итоге «1». Это показано на открывающей картинке, панель E, на примере очевидного логического вентиля «YES» (просто перевод 0 → 0 и 1 → 1).

И, в конце концов, для сброса («перезагрузки») «устройства» употребляется нагретый буферный соляной раствор пониженной концентрации. Он расцепляет гибридизированные ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) и возвращает «планшет» в начальное состояние без разрушения структуры мембраны.

Обскурантистская кинетика логического вентиля «YES» (ввод «1» и «0»). Seo et al., Sci.Adv.,5(2), eaau2124 (2019).

Для подачи установок на «нанопоплавки» употребляются два вида управляющих ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов), нареченные «ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) захвата» (Trap DNA) и «ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) оповещения» (Report DNA). ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) первого типа связывают нано-поплавки NF с «зелёными» частичками памяти NM, формируя структуры, участвующие в принятии логических решений. «ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) оповещения» предусмотрены для связи NF с «голубыми» частичками NR. Концентрация управляющих ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) и плотность частиц подбираются для обеспечения нужного соотношения скоростей хим реакций: кинетика реакций «ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) захвата» выше, чем у «ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) оповещения». Это дозволяет делать условные переходы «if — then — else», как в традиционных программных методах: у пар NF — NM есть довольно времени с точки зрения кинетики реакций, чтоб проверить выполнение условия If на входе перед переходом на ветку «Else», за какую отвечает «неспешная» кинетика ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) оповещения. Также предусмотрены два типа ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) захвата — они присоединяются к частичкам памяти NM, находящимся в состоянии соответственно 0 либо 1. А это уже в полной мере реализует логические вентили всего набора булевой алгебры, так как связывание происходит по-разному в зависимости от состояния ячейки памяти — набор инструментов сейчас дозволяет считывать начальную информацию. «Программка» — это смесь 2-ух видов «ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) захвата» и «ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) оповещения» в соответственных пропорциях, которая шифрует ту либо иную операцию.

«Многоразовая» наночастичная нейросеть

Не считая набора булевых операций, которые можно воплотить с хоть каким количеством входных ячеек, исследователи показали сеть реакций меж обилием микрочастиц, связанных средством управляющих ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов). Они реализовали перцептрон — обычной тип искусственных нейронных сетей для задач двоичной систематизации, в виде наночастичной нейросети (NNN, nano-particle network). Тут, как видно на рисунке из работы, виды микрочастиц NM, NF и NR соответствуют входному, сокрытому и выходному слою таковой нейросети, а взаимодействие меж ними аналогично описанному чуть повыше механизму для единичных булевых операций. Этот шаг уже дозволяет решить задачку масштабируемости и модулярности системы. При увеличении количества наночастичных узлов и соответственной трудности логической цепи кинетика реакций обязана оставаться схожей из-за параллельных реакций во мультислойном перцептроне.

Наночастичная нейросеть (NNN) с 3-мя каналами ввода — реализация в виде трёхслойного перцептрона. Весовые коэффициенты wi,j, vi в данной для нас схеме можно воплотить средством управляющих ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) различного вида.

Создатели предложили пока что ординарную наночастичную нейросеть-перцептрон, в которой вычислительная архитектура фон Неймана реализована как ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов)-компьютер на чипе в виде липидной мембраны. Таковой «планшет» можно сравнимо просто программировать и потом перезагружать для ввода иной управляющей программки, а теория нейросети допускает её масштабируемость (по последней мере в теории). В качестве вероятных приложений наночастичных вычислительных платформ — задачки глубочайшего обучения и нейроморфных вычислений для анализа сложной биомолекулярной инфы, может быть, интеграция в микрофлюидные устройства и моделирование отклика биосистем.