Один грамм ДНК вмещает 215 млн гигабайт. Теперь из неё собрали работающий чип памяти
Один грамм ДНК теоретически способен вместить около 215 миллионов гигабайт данных. Настолько высокая плотность хранения давно привлекает инженеров, однако встроить биологическую молекулу в обычную электронику непросто: ДНК и полупроводниковые материалы устроены слишком по-разному. Исследователи нашли способ совместить их в одном устройстве и собрали мемристор из синтетической ДНК и перовскита. Память работает при напряжении менее 0,1 вольта и расходует значительно меньше энергии, чем сопоставимые решения.
Основой устройства служат короткие синтетические последовательности ДНК, состав и длину которых заранее подбирают под нужные электрические свойства. Вторая часть системы состоит из кристаллического перовскита. Материалы семейства перовскитов используют в солнечных элементах, лазерах и некоторых технологиях хранения данных. Совмещение двух компонентов позволило получить проводящую структуру, способную сохранять информацию о предыдущем электрическом состоянии.
Исследователи собрали из нового материала мемристор. Название происходит от английских слов memory и resistor, то есть «память» и «резистор», но в русском языке термин «мемристор» давно закрепился в научной и технической литературе. Обычный резистор ограничивает электрический ток и после отключения питания не сохраняет историю работы. Сопротивление мемристора зависит от того, какой ток проходил через элемент раньше, поэтому устройство сохраняет часть информации о предыдущем состоянии даже после прекращения подачи напряжения. Благодаря этому память и обработку сигнала можно разместить в одном физическом элементе. Обычным вычислительным системам приходится постоянно передавать данные между процессором и памятью. Мемристор способен менять собственное состояние во время обработки сигнала и затем использовать сохранённое состояние при следующем электрическом воздействии.
Именно поэтому мемристоры интересуют разработчиков нейроморфных вычислительных систем. Нейроморфные вычисления строят по принципам, частично напоминающим работу нервной системы: множество элементов одновременно принимают сигналы, изменяют собственное состояние и учитывают предыдущую активность при дальнейшей обработке. Для искусственного интеллекта такая архитектура интересна возможностью выполнять большое количество операций параллельно и реже перемещать данные между отдельными блоками компьютера.
Главная инженерная проблема заключалась в самой ДНК. Природная молекула состоит из длинных гибких цепочек, которые перепутываются и плохо подходят для точного размещения внутри тонких электронных слоёв. Короткие синтетические фрагменты намного жёстче. Их можно проектировать заранее, задавая конкретную последовательность нуклеотидов и длину каждого участка, а затем располагать в материале значительно точнее.
Чтобы ДНК проводила электрический ток, в слой искусственных последовательностей добавили наночастицы серебра. Такой способ изменения свойств материала называют легированием. Серебро повысило электропроводность ДНК и помогло молекулярным фрагментам расположиться более упорядоченно. После легирования слой ДНК объединили с тонкими плёнками перовскита.
Состав синтетической ДНК можно рассчитывать ещё до изготовления устройства. Исследователи выбирают последовательности нужной длины и структуры, а затем меняют их свойства с помощью серебра или других ионов. Такой подход позволяет управлять проводимостью и расположением молекул на очень малом масштабе, а также подгонять слой ДНК под контакт с перовскитом.
После соединения двух материалов внутри мемристора возникли гибридные проводящие пути, по которым двигались электроны. Устройство стабильно переключалось при напряжении менее 0,1 вольта. Для сравнения, бытовая электрическая сеть в США работает при 120 вольтах. При смене направления тока мемристор реагировал предсказуемо и сохранял необходимые для работы памяти изменения электрического состояния.
Гибридная структура выдержала и довольно высокую температуру. Мемристор продолжал стабильно работать почти при 250 °F, что соответствует примерно 121 °C. При комнатной температуре устройство сохраняло работоспособность более шести недель. Авторы исследования отмечают, что по стабильности результат заметно превосходит характеристики перовскитных устройств памяти, с которыми проводилось сравнение.
Отдельные компоненты давали заметно худший результат. ДНК без перовскита и перовскит без легированной ДНК не обеспечивали такой же устойчивой работы памяти. Нужные электрические свойства возникали после соединения материалов в единую структуру.
При выполнении той же функции памяти гибридный мемристор расходовал примерно в десять раз меньше энергии, чем сопоставимые технологии, протестированные исследователями. В работе также приводится более широкое сравнение с традиционными накопителями, включая флеш-память: авторы сообщают об энергопотреблении до 100 раз ниже и более высокой плотности хранения. Две цифры относятся к разным вариантам сравнения, поэтому их нельзя воспринимать как противоречащие друг другу оценки одного эксперимента.
Низкое энергопотребление особенно важно для систем искусственного интеллекта, которым приходится хранить и обрабатывать всё больше данных. В стандартной электронике увеличение объёма памяти и числа операций обычно повышает расход энергии. Мемристор уменьшает часть затрат за счёт хранения состояния непосредственно в вычислительном элементе, а синтетическая ДНК позволяет разместить большое количество информации на очень малой площади.
Разработчики собираются дальше улучшать характеристики устройства и проверять другие способы использования ДНК в электронных системах. Уже проведённые эксперименты показали, что синтетические последовательности можно применять не только как носитель генетической информации. При заранее рассчитанной структуре, легировании серебром и соединении с перовскитом ДНК работает как управляемый наноматериал и участвует в электрической памяти.