นักวิจัยไอร์แลนด์สร้าง 'DNA Computer' เครื่องแรกที่ไม่ต้องป้อนไฟตลอดเวลา ประมวลผลเร็วที่สุดในบรรดาคอมพิวเตอร์ DNA

ทุกวันนี้คอมพิวเตอร์และระบบประมวลผลกินไฟเยอะมาก มีการคาดการณ์ว่าภายในปี 2050 ไฟฟ้าถึง 20% ของภาคธุรกิจในสหรัฐฯ จะหมดไปกับการประมวลผลข้อมูล ส่วนดาต้าเซ็นเตอร์เพียงอย่างเดียวก็จะต้องการใช้ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

ตัวเลขฝั่งยุโรปก็หนักไม่แพ้กัน อย่างในไอร์แลนด์ ไฟฟ้าถึง 23% ของทั้งประเทศถูกใช้ไปกับการประมวลผลและการเก็บข้อมูล ตอนนี้โจทย์ใหญ่ของวงการเทคโนโลยีจึงเป็นการหาวิธีประมวลผลที่กินไฟน้อยลง ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Maynooth ในไอร์แลนด์ เลยลองแก้ปัญหานี้ด้วยวิธีที่หลายคนคาดไม่ถึง นั่นคือการดึง 'กลไกทางเคมีของสิ่งมีชีวิต' มาใช้ พวกเขาพัฒนาคอมพิวเตอร์ที่ใช้ DNA ในการคำนวณ ซึ่งจุดเด่นคือมันสามารถประมวลผลได้โดยไม่ต้องมีกระแสไฟฟ้ามาเลี้ยงระบบตลอดเวลา

Damien Woods ผู้นำงานวิจัยนี้บอกว่าที่ผ่านมาเราอาจจะติดภาพว่าคอมพิวเตอร์ต้องเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบเดิม ๆ มานานเกินไป ทั้งที่จริงๆ แล้วรอบตัวเรายังมีระบบประมวลผลอีกหลายรูปแบบ

ต้นเหตุที่คอมพิวเตอร์กินไฟมาจากชิ้นส่วนเล็กๆ ที่เรียกว่า 'ทรานซิสเตอร์' ซึ่งอยู่ข้างในคอมพิวเตอร์ มือถือ หรือโน้ตบุ๊กที่เราใช้กัน ให้มองว่ามันคือสวิตช์ไฟตัวจิ๋วที่คอยสลับเปิด-ปิด ข้อมูลทุกอย่างที่เราเห็นบนเครื่อง ไม่ว่าจะเป็นรูป เพลง หรือข้อความ เบื้องหลังล้วนถูกเก็บไว้ในรูปของสถานะเปิดและปิดของสวิตช์เหล่านี้

ทุกครั้งที่มีการประมวลผล สวิตช์เหล่านี้จะสลับเปิด-ปิดไปมา ซึ่งการทำงานแต่ละครั้งต้องใช้กระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ลำพังการทำงานแค่ตัวเดียวอาจดูไม่เยอะ แต่ในระบบมีสวิตช์อยู่นับไม่ถ้วนและต้องสลับเปิด-ปิดถึงพันล้านครั้งในหนึ่งวินาที พอสวิตช์จำนวนมหาศาลเหล่านี้ดึงไฟมาใช้พร้อมๆ กัน มันจึงทำให้ระบบคอมพิวเตอร์กินไฟสูงมาก

ส่วนคอมพิวเตอร์ DNA ใช้หลักการที่ต่างออกไป DNA คือสารพันธุกรรมที่มีรหัสเคมี 4 ตัว คือ A, T, C และ G กฎสำคัญคือรหัสพวกนี้จะจับคู่กันแบบตายตัวเสมอ เมื่อสาย DNA ที่มีรหัสตรงกันมาเจอกัน มันจะดูดติดและประกบเข้าคู่กันเองตามธรรมชาติ

นักวิทยาศาสตร์จึงนำหลักการนี้มาประยุกต์ใช้ โดยนำรหัสเคมี 4 ตัวนี้มาใช้เก็บข้อมูลแทนสถานะเปิด-ปิดของสวิตช์ในคอมพิวเตอร์ปกติ และใช้ 'การจับคู่กันเองตามธรรมชาติ' ของ DNA มาทำหน้าที่ประมวลผลแทนการใช้กระแสไฟฟ้าสลับสวิตช์

แนวคิดนี้ถูกพิสูจน์มาตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1990 ที่ Leonard Adleman นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์และศาสตราจารย์ชาวอเมริกัน สามารถใช้สาย DNA ในหลอดทดลองแก้โจทย์คณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนได้สำเร็จ ทำให้มีการพัฒนาคอมพิวเตอร์ DNA ต่อเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน

แต่ข้อจำกัดที่ผ่านมาคือ ระบบของคอมพิวเตอร์ DNA ยังไม่สามารถทำงานรวดเดียวจบได้ ยังต้องมีคนคอยเติมสารเคมีหรือปรับแต่งสภาพแวดล้อมอยู่ตลอดเวลา ทำให้การทำงานยังไม่เสถียรและไม่ได้ช่วยประหยัดพลังงานอย่างที่หวังไว้แต่แรก

ทีมของ Damien Woods จึงใช้เทคนิคที่เรียกว่า DNA Origami หรือการออกแบบให้ DNA พับตัวเองเป็นรูปร่างที่ต้องการ

วิธีทำคือนักวิจัยจะใช้ DNA เส้นยาวเป็นโครงหลัก แล้วเติม DNA เส้นสั้น ๆ ที่ออกแบบไว้ให้แต่ละชิ้นไปจับกับจุดที่กำหนดบนโครง จากนั้นนำทั้งหมดไปผสมในน้ำเกลืออุ่น ๆ แล้วค่อย ๆ ปล่อยให้เย็นลง

เมื่ออุณหภูมิลดลง DNA แต่ละชิ้นจะค่อย ๆ ไปจับกับจุดที่เข้าคู่กัน จนรวมกันเป็นโครงสร้างที่มีความเสถียรที่สุด ซึ่งรูปแบบการจัดเรียงตัวตอนจบที่สมบูรณ์นี่แหละที่นักวิทยาศาสตร์สามารถนำไปถอดรหัสออกมาเป็น 'คำตอบ' ของโจทย์ได้ คล้ายกับเวลาที่จิ๊กซอว์ต่อเสร็จ ภาพที่ปรากฏจะคือคำตอบ

จุดสำคัญคือกระบวนการนี้ไม่ต้องใช้ไฟฟ้าป้อนเข้าไปตลอดเวลา เพราะ DNA สามารถวิ่งหาคู่และจัดเรียงตัวเองตามคุณสมบัติทางเคมีจนได้คำตอบออกมาเอง

ในการทดสอบ ทีมวิจัยลองให้เครื่องนี้คำนวณโจทย์หลาย ๆ ระดับ พอให้ลองบวกเลขง่าย ๆ อย่าง 3 + 10 ปรากฏว่ามันใช้เวลาคิดไปถึง 30 วินาที ซึ่งอาจจะดูใช้เวลานาน เพราะเด็กประถมยังคิดเลขในใจเร็วกว่า

แต่ทีมนักวิจัยบอกว่านั่นไม่ใช่ปัญหา เพราะเป้าหมายของพวกเขาไม่ได้อยู่ที่ 'ความเร็ว' พวกเขาไม่ได้สร้างคอมพิวเตอร์ DNA ขึ้นมาเพื่อแข่งความเร็วกับคอมพิวเตอร์หรือสมาร์ตโฟนที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้ สิ่งที่พวกเขาภูมิใจก็คือ ถ้าเอาผลงานนี้ไปเทียบกับ 'DNA Computer' รุ่นก่อนๆ ทั้งหมด เครื่องของพวกเขาคือรุ่นที่ทำงานได้เร็วที่สุดเท่าที่เคยมีมาแล้ว

แล้วถ้าช้าขนาดนี้ จะมีประโยชน์อะไร คำตอบคือ DNA Computer สามารถคำนวณหลายอย่างไปพร้อมกันได้ เพราะโมเลกุล DNA จำนวนมากในหลอดทดลองเดียวจะทำปฏิกิริยาไปพร้อมๆ กัน หรือที่เรียกว่า 'การประมวลผลแบบขนาน' และระหว่างที่ DNA กำลังหาคำตอบ ระบบไม่ต้องป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไปตลอดเวลา เพราะโมเลกุลสามารถจับคู่และจัดเรียงตัวกันเองตามคุณสมบัติทางเคมี จึงมีโอกาสช่วยลดการใช้พลังงานในการคำนวณบางประเภท 

ถึงตอนนี้คอมพิวเตอร์ DNA ยังไม่สามารถมาแทนโน้ตบุ๊กหรือมือถือได้ในเร็ว ๆ นี้ เพราะยังช้าและเหมาะกับงานเฉพาะทางมากกว่า แต่สิ่งที่งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นคือ การคำนวณไม่จำเป็นต้องใช้ไฟฟ้าเสมอไป ในอนาคต DNA อาจถูกนำมาใช้กับงานบางประเภทที่ต้องการทั้งการเก็บข้อมูลจำนวนมากและการคำนวณที่ใช้พลังงานน้อยลง

อ่านต่อได้ที่: newatlas