- Wat maakt DNA een ideaal alternatief voor siliciumchips?
- Microsoft zet grote stappen op het gebied van DNA-computing
- De ontwikkeling van DNA-computers wordt vertraagd door extreem hoge kosten
50 jaar geleden waren de kleinste computers ter wereld helemaal niet zo klein. Ze waren net zo groot als een gemiddelde kamer. Ze gebruikten veel elektriciteit en produceerden een hoop hitte, wat vaak voor problemen zorgde. Daarna kwam een nieuwe generatie kleine elektronische componenten of microprocessoren, waardoor computers qua omvang konden krimpen en in vermogen konden groeien. Toen deze microprocessoren voor het eerst verschenen, werden ze gebouwd op conventionele siliciumchips. En hoewel je zou verwachten dat ze in de loop der jaren behoorlijk zijn veranderd, vertrouwen microprocessoren nog steeds op hetzelfde materiaal en dezelfde basistechnologie. Ze zijn bijna tot aan de grenzen van de natuurkunde verfijnd, maar de hedendaagse chips zijn nog steeds op silicium gebaseerde processors. En hoewel silicium een geweldig materiaal is voor microprocessoren, is het niet het beste – en zeker niet het meest betrouwbare.
Een groep onderzoekers van de University of Manchester heeft nu een veel beter alternatief ontdekt. Ze menen namelijk in DNA het geheim gevonden te hebben voor een superkrachtige computer die “groeit naarmate hij berekent”. Het project, dat werd gepubliceerd in het Journal of the Royal Society Interface, is gebaseerd op de theorie dat je DNA-strengen kunt gebruiken om gegevens in op te slaan en te berekenen, net als gewone microprocessoren. Bovendien geloven de onderzoekers dat computers met DNA-microchips complexe problemen veel sneller kunnen oplossen dan traditionele.
Wat maakt DNA een ideaal alternatief voor siliciumchips?
Wat dit zo interessant maakt, is dat DNA-microchips in potentie veel sneller zijn dan wat er momenteel beschikbaar is. Dat komt omdat DNA-computers aan twee totaal verschillende problemen tegelijk kunnen werken. Professor Ross D. King, de projectleider, omschrijft het proces als iets dat lijkt op het vinden van informatie in een doolhof. Stel je voor dat je computer op zoek is naar een specifiek stukje informatie. Als het eenmaal op een kruispunt komt waar het naar links of rechts kan, gaat een traditionele computer eerst een kant op. Als het er dan niet in slaagt om de informatie te vinden, gaat het terug en probeert het de tweede mogelijkheid. Traditionele computers gebruiken binaire code die bestaat uit bits die de waarde 0 en 1 kunnen hebben. Maar DNA heeft er vier: G, T, C en A. En door die extra mogelijkheden kan informatie veel sneller verwerkt worden, wat handig is voor complexe berekeningen.
Voor een conventionele binaire processor zijn echt complexe wiskundige problemen een moeizame opgave. Men schat dat een conventionele computer er zelfs honderden jaren over kan doen om echte gecompliceerde vraagstukken op te lossen. Een op DNA gebaseerde computer, daarentegen, zou dat in een paar uur tijd kunnen. DNA-computers kunnen namelijk meer dan één mogelijkheid tegelijk proberen, bijna alsof ze zichzelf op elk punt in het doolhof repliceren. Bovendien is het zo dat “alle elektronische computers een vast aantal chips hebben”, legt King uit. “Het vermogen van onze computer om te groeien terwijl hij berekent, maakt hem sneller dan welke andere soort computer dan ook. Bovendien kunnen we hiermee veel complexe wiskundige problemen oplossen die voorheen onoplosbaar leken”.
Een ander voordeel van DNA-computers is dat ze grote hoeveelheden gegevens op kunnen slaan. Computers met siliciumprocessoren kunnen maximaal een paar terabytes aan gegevens opslaan. Dat is veel, maar één gram DNA zou bijvoorbeeld 100 miljard terabytes aan gegevens kunnen opslaan. En aangezien DNA-microprocessoren veel kleiner zijn, zou je een gemiddelde desktopcomputer met meer dan één DNA-microprocessor kunnen uitrusten, waardoor je nog hogere snelheden en opslagcapaciteit kunt bereiken. Professor King zegt: “Omdat DNA zo klein is, zou een desktopcomputer potentieel meer processors kunnen gebruiken dan alle elektronische computers in de wereld bij elkaar – en dus beter presteren dan de snelste supercomputer ter wereld. Ook gebruikt zo’n computer maar een fractie van de energie”.
Bovendien is DNA-opslag superveilig. George Church, een geneticus en expert op het gebied van DNA aan Harvard University, benadrukt dat DNA, vanwege de stabiliteit en duurzaamheid ervan, een ontzagwekkend opslagmedium is. Bij temperaturen onder het vriespunt kan DNA bijvoorbeeld duizenden jaren meegaan. De meeste digitale gegevens worden tegenwoordig opgeslagen op media met een beperkte levensduur, zoals SD-kaarten en USB-sticks. Als je er voorzichtig mee omgaat kunnen deze tot 10 jaar meegaan. Andere, oudere methoden als cd’s of dvd’s hebben maar een levensduur van twee tot vijf jaar. Dat is met DNA duidelijk een ander verhaal!
Microsoft zet grote stappen op het gebied van DNA-computing
Wetenschappers van de University of Manchester waren niet de enigen die geïntrigeerd waren door DNA-computers. In 2017 kondigde Microsoft al aan dat het de komende drie jaar zal beginnen met de ontwikkeling van een computer op basis van DNA. Wanneer het eerste model eenmaal volledig ontwikkeld is, zal het naar verwachting alleen informatie als medische dossiers en videobeelden van de politie opslaan. En qua afmetingen zal het apparaat nog wel groter zijn dan conventionele desktopcomputers. Volgens Doug Carmean, partner-architect bij Microsoft Research, zal de computer het formaat hebben van een Xerox-machine uit de seventies. Dit is overigens niet de eerste keer dat Microsoft het potentieel van DNA als data-opslagoplossing onderzoekt. In 2016 werkten ze samen met de University of Washington en wisten ze door 200 megabytes aan gegevens op DNA op te slaan een record te vestigen. Sindsdien hebben ze hun systeem weer verbeterd. De huidige versie kan inmiddels 400 megabytes aan DNA-gecodeerde gegevens opslaan.
De ontwikkeling van DNA-computers wordt vertraagd door extreem hoge kosten
Ondanks al deze doorbraken maken we nog steeds gebruik van traditionele computers en hun beperkte opslagcapaciteit. Het opslaan van zelfs het kleinste beetje informatie in DNA-vorm kost namelijk nog een fortuin. Om je een idee te geven: één megabyte aan biologisch opgeslagen data kost ongeveer $12.500. Vergeleken met voorgaande jaren is de prijs van deze technologie echter wel aanzienlijk gedaald, en zal het de aankomende tijd naar verwacht ook blijven dalen. Als we geluk hebben, maken DNA-computers dezelfde transformatie door als de sequencing van het menselijk genoom. Ten tijde van de eerste ontwikkelingen kostte het sequencen van een volledig genoom bijvoorbeeld ook maar zo $2,7 miljard. Nu kost datzelfde proces minder dan $1.000 en in sommige gevallen zelfs nog slechts $280.
DNA-computers bieden een enorm potentieel, maar er is nog veel werk te doen op dit gebied. En ook al kunnen we met onze bestaande computers best heel goed uit de voeten, is het vooruitzicht dat we straks super-efficiënte, supersnelle DNA-computers met mega-opslagcapaciteit hebben toch wel heel erg interessant.
