이 기사를 읽는 동안에도 컴퓨터 칩 제조업체는 속도 기록을 깨뜨릴 차세대 마이크로프로세서 를 만들기 위해 맹렬히 경쟁하고 있습니다. 그러나 조만간 이 경쟁은 벽에 부딪힐 수밖에 없습니다. 실리콘으로 만들어진 마이크로프로세서는 결국 속도와 소형화의 한계에 도달하게 될 것입니다. 칩 제조업체는 더 빠른 컴퓨팅 속도를 생성하기 위해 새로운 재료가 필요합니다.
과학자들이 차세대 마이크로프로세서를 구축하는 데 필요한 새로운 재료를 어디서 찾았는지 믿을 수 없을 것입니다. 수백만 개의 천연 슈퍼컴퓨터가 신체를 포함한 살아있는 유기체 내부에 존재합니다. 우리 유전자 를 구성 하는 물질인 DNA(디옥시리보핵산) 분자 는 세계에서 가장 강력한 인간이 만든 컴퓨터보다 몇 배나 빠르게 계산을 수행할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. DNA는 언젠가 컴퓨터 칩에 통합되어 컴퓨터를 훨씬 더 빠르게 밀어붙이는 바이오칩을 만들 수 있습니다. DNA 분자는 이미 복잡한 수학적 문제를 수행하는 데 활용되었습니다.
아직 초기 단계이지만 DNA 컴퓨터 는 개인용 컴퓨터보다 수십억 배 더 많은 데이터를 저장할 수 있습니다. 이 기사에서는 과학자들이 유전 물질을 사용하여 향후 10년 동안 실리콘 기반 컴퓨터를 대체할 나노 컴퓨터를 만드는 방법을 배우게 됩니다.
DNA 컴퓨팅 기술
DNA 컴퓨터는 아직 지역 전자 제품 매장에서 찾을 수 없습니다. 이 기술은 아직 개발 중이며 10년 전에는 개념으로 존재하지도 않았습니다. 1994년 Leonard Adleman은 복잡한 수학적 문제를 풀기 위해 DNA를 사용한다는 아이디어를 도입했습니다. University of Southern California 의 컴퓨터 과학자인 Adleman 은 1953년 DNA의 구조를 공동 발견한 James Watson이 저술한 "Molecular Biology of the Gene"이라는 책을 읽은 후 DNA에 계산 가능성이 있다는 결론에 이르렀습니다. 사실, DNA는 유전자에 대한 영구적인 정보를 저장하는 방식에서 컴퓨터 하드 드라이브 와 매우 유사합니다 .
Adleman은 종종 DNA 컴퓨터의 발명가라고 불립니다. Science 저널의 1994년 호에 실린 그의 기사 는 "여행하는 세일즈맨" 문제 라고도 하는 지시된 해밀턴 경로 문제(directed Hamilton Path problem) 라고 하는 잘 알려진 수학적 문제를 해결하기 위해 DNA를 사용하는 방법을 설명했습니다 . 문제의 목표는 각 도시를 한 번만 통과하여 여러 도시 사이의 최단 경로를 찾는 것입니다. 문제에 더 많은 도시를 추가할수록 문제는 더 어려워집니다. Adleman은 7개 도시 사이의 최단 경로를 찾기로 결정했습니다.
Adleman이 그의 DNA 시험관 컴퓨터를 사용하는 것보다 더 빨리 이 문제를 종이에 그려서 해결책을 찾을 수 있을 것입니다. Adleman DNA 컴퓨터 실험에서 취한 단계는 다음과 같습니다.
- DNA 가닥은 7개의 도시를 나타냅니다. 유전자에서 유전자 코딩은 문자 A, T, C 및 G로 표시됩니다. 이 네 문자의 일부 시퀀스는 각 도시와 가능한 비행 경로를 나타냅니다.
- 그런 다음 이 분자를 시험관에서 혼합하고 이 DNA 가닥 중 일부가 서로 달라붙습니다. 이러한 가닥의 사슬은 가능한 대답을 나타냅니다.
- 몇 초 안에 답을 나타내는 DNA 가닥의 가능한 모든 조합이 시험관에서 생성됩니다.
- Adleman은 화학 반응을 통해 잘못된 분자를 제거하여 7개 도시를 모두 연결하는 비행 경로만 남깁니다.
Adleman DNA 컴퓨터의 성공은 DNA가 복잡한 수학적 문제를 계산하는 데 사용될 수 있음을 증명합니다. 그러나 이 초기 DNA 컴퓨터는 속도 면에서 실리콘 기반 컴퓨터와 거리가 멀다 . Adleman DNA 컴퓨터는 가능한 답변 그룹을 매우 빠르게 생성했지만 Adleman이 가능성을 좁히는 데 며칠이 걸렸습니다. 그의 DNA 컴퓨터의 또 다른 단점은 사람의 도움 이 필요하다는 것 입니다. DNA 컴퓨팅 분야의 목표는 인간의 개입 없이 작동할 수 있는 장치를 만드는 것입니다.
Adleman의 실험 후 3년 후, 로체스터 대학의 연구원 들은 DNA로 만든 논리 게이트를 개발했습니다 . 논리 게이트는 컴퓨터가 명령한 기능을 수행하는 방법의 중요한 부분입니다. 이 게이트는 컴퓨터를 통해 이동하는 이진 코드를 컴퓨터가 작업을 수행하는 데 사용하는 일련의 신호로 변환합니다. 현재 논리 게이트는 실리콘 트랜지스터의 입력 신호를 해석 하고 이러한 신호를 컴퓨터가 복잡한 기능을 수행할 수 있도록 하는 출력 신호로 변환합니다.
Rochester 팀의 DNA 논리 게이트는 전자 PC 와 유사한 구조를 가진 컴퓨터를 만들기 위한 첫 번째 단계 입니다. 논리적 연산을 수행하기 위해 전기 신호를 사용하는 대신 이러한 DNA 논리 게이트는 DNA 코드에 의존합니다. 그들은 입력 으로 유전 물질의 단편을 감지 하고 이러한 단편을 함께 연결하여 단일 출력을 형성합니다. 예를 들어, "앤드 게이트"라고 불리는 유전 게이트 는 두 개의 DNA 입력을 화학적으로 결합하여 연결하여 두 개의 레고가 세 번째 레고로 고정되는 방식과 유사하게 종단 간 구조에 고정됩니다. 연구원들은 이러한 논리 게이트가 DNA 마이크로칩과 결합되어 DNA 컴퓨팅의 돌파구를 만들 수 있다고 믿습니다.
논리 게이트 와 바이오칩 과 같은 DNA 컴퓨터 구성 요소 가 실용적이고 실행 가능한 DNA 컴퓨터로 발전하려면 몇 년이 걸릴 것입니다. 그러한 컴퓨터가 만들어지면 과학자들은 그것이 기존의 컴퓨터보다 더 작고 정확하며 효율적일 것이라고 말합니다. 다음 섹션에서는 DNA 컴퓨터가 이전의 실리콘 기반 컴퓨터를 능가할 수 있는 방법과 이러한 컴퓨터가 수행할 작업을 살펴보겠습니다.
실리콘을 뛰어넘다?
비록 DNA 컴퓨터가 실리콘 기반 마이크로프로세서를 추월하지는 않았지만 연구자들은 계산을 위해 유전 코드를 사용하는 데 약간의 진전을 이루었습니다. 2003년 이스라엘 과학자들은 제한적이지만 작동하는 DNA 컴퓨터를 시연했습니다. 내셔널 지오그래픽 에서 자세한 내용을 읽을 수 있습니다 .
실리콘 대 DNA 마이크로프로세서
실리콘 마이크로프로세서는 40년 이상 동안 컴퓨팅 세계의 핵심이었습니다. 그 동안 제조업체는 마이크로프로세서에 점점 더 많은 전자 장치를 집어넣었습니다. 무어의 법칙에 따르면 마이크로프로세서에 탑재되는 전자 장치의 수는 18개월마다 두 배로 증가했습니다. 무어의 법칙(Moore's Law)은 1965년에 마이크로프로세서가 2년마다 복잡성이 두 배로 증가할 것이라고 예측한 Intel 설립자 Gordon Moore의 이름을 따서 명명되었습니다. 많은 사람들은 실리콘 마이크로프로세서의 물리적 속도와 소형화 한계로 인해 무어의 법칙이 곧 끝날 것이라고 예측했습니다.
DNA 컴퓨터는 무어의 법칙이 중단되는 부분을 선택하면서 컴퓨팅을 새로운 수준으로 끌어올릴 가능성이 있습니다. 실리콘 대신 DNA를 사용하면 다음과 같은 몇 가지 장점이 있습니다.
- 세포 유기체가 있는 한 항상 DNA 가 공급 될 것 입니다.
- DNA의 대량 공급은 그것을 값싼 자원으로 만듭니다.
- 기존 마이크로프로세서를 만드는 데 사용되는 독성 물질과 달리 DNA 바이오칩은 깨끗하게 만들 수 있습니다 .
- DNA 컴퓨터는 오늘날의 컴퓨터보다 몇 배나 작 습니다.
DNA의 주요 이점은 컴퓨터를 이전의 어떤 컴퓨터보다 작게 만드는 동시에 더 많은 데이터를 보유할 수 있다는 것입니다. 1파운드의 DNA는 지금까지 만들어진 모든 전자 컴퓨터보다 더 많은 정보를 저장할 수 있습니다. 그리고 DNA 논리 게이트를 사용하는 눈물방울 크기의 DNA 컴퓨터의 연산 능력은 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터보다 더 강력할 것입니다. 10조 개 이상의 DNA 분자가 1입방센티미터(0.06입방인치)보다 크지 않은 영역에 들어갈 수 있습니다. 이 작은 양의 DNA로 컴퓨터는 10 테라바이트 의 데이터 를 저장할 수 있고 한 번에 10조 개의 계산을 수행할 수 있습니다. 더 많은 DNA를 추가하면 더 많은 계산을 수행할 수 있습니다.
기존 컴퓨터와 달리 DNA 컴퓨터 는 다른 계산 과 병행 하여 계산을 수행 합니다. 기존의 컴퓨터는 선형으로 작동하여 한 번에 하나씩 작업을 수행합니다. DNA가 복잡한 수학적 문제를 몇 시간 만에 해결할 수 있도록 하는 것은 병렬 컴퓨팅이지만 전기 컴퓨터는 이를 완료하는 데 수백 년이 걸릴 수 있습니다.
최초의 DNA 컴퓨터는 워드 프로세싱, 이메일 및 카드 놀이 프로그램 을 특징으로 하지 않을 것 입니다. 대신 국가 정부가 비밀 코드를 해독하거나 보다 효율적인 경로를 매핑하려는 항공사에서 강력한 컴퓨팅 성능을 사용할 것 입니다. DNA 컴퓨터를 연구하는 것은 더 복잡한 컴퓨터인 인간의 두뇌 에 대한 더 나은 이해로 이어질 수도 있습니다 .
