Résumé :
Des chercheurs de l'université de Maynooth en Irlande ont développé un nouveau type d'ordinateur à ADN capable d'utiliser les réactions chimiques naturelles des molécules d'ADN dans des solutions salines pour effectuer des calculs sans consommation continue d'électricité comme les ordinateurs électroniques traditionnels. L’équipe de recherche a déclaré que cette méthode permet pour la première fois de calculer l’ADN sans alimentation externe continue et d’atteindre la vitesse de calcul la plus rapide parmi les systèmes informatiques ADN existants.
Avec l'expansion rapide de l'intelligence artificielle et des centres de données, la consommation énergétique des équipements informatiques devient un problème de plus en plus important. Les chercheurs prédisent que d’ici 2050, jusqu’à 20 % de l’électricité consommée par le secteur commercial américain pourrait être utilisée pour l’informatique, et que la demande en énergie des centres de données pourrait doubler au cours des prochaines années. Dans ce contexte, la manière de réduire la demande énergétique du processus informatique lui-même est devenue une orientation importante pour les chercheurs souhaitant trouver de nouvelles architectures informatiques.
Damien Woods, informaticien à l'université de Maynooth et auteur principal de l'article, a déclaré que les gens sont actuellement habitués à comprendre les ordinateurs comme des dispositifs composés de puces de silicium et de transistors, mais que la nature a en réalité développé de nombreux mécanismes informatiques capables d'accomplir des tâches complexes avec une énergie extrêmement faible, et le cerveau humain en est un exemple. Les chercheurs espèrent donc trouver des méthodes de calcul issues de la chimie du vivant différentes des calculs électroniques traditionnels.
Les ordinateurs électroniques modernes s'appuient presque tous sur des transistors comme commutateurs de base, représentant les données à travers deux états : "on" et "off". Chaque fois qu'un transistor change d'état, il consomme une petite quantité d'énergie, et lorsque des milliards, voire des milliards de transistors commutent constamment à des fréquences extrêmement élevées, ces faibles consommations d'énergie finissent par s'ajouter à d'énormes besoins énergétiques.
L'ADN stocke et traite les informations d'une manière complètement différente. Les quatre bases chimiques qui composent une chaîne d’ADN peuvent coder des informations selon des arrangements différents, de sorte que la molécule d’ADN elle-même peut théoriquement être utilisée comme support informatique. Contrairement aux ordinateurs électroniques qui changent d’état via des transistors, le calcul de l’ADN peut exploiter les interactions chimiques entre différentes séquences d’ADN pour exécuter des algorithmes.
L'informatique ADN n'est pas un concept nouveau. Dès les années 1990, Leonard Adleman, informaticien à l'Université de Californie du Sud, utilisait des molécules d'ADN et des réactions biochimiques pour résoudre le fameux « problème du voyageur de commerce », prouvant que l'ADN pouvait être utilisé pour effectuer des calculs. Depuis lors, les chercheurs ont continué à développer de nouveaux algorithmes moléculaires, dans l’espoir de permettre à l’ADN d’assumer davantage les fonctions des ordinateurs traditionnels.
Cependant, il y a toujours eu un problème clé dans le calcul de l'ADN, à savoir comment faire en sorte que le système ait à la fois une faible consommation d'énergie, une stabilité et une fiabilité, et ne nécessite pas une intervention manuelle continue de la part des chercheurs pendant le processus de calcul. De nombreuses méthodes traditionnelles de calcul de l’ADN nécessitent l’ajout constant de réactifs ou la fourniture d’énergie supplémentaire pour permettre aux réactions chimiques de se dérouler comme prévu.
L'équipe de Woods a adopté une approche différente, plus proche de la technologie de l'origami ADN qui a émergé ces dernières années, plutôt que d'opposer un grand nombre de brins d'ADN simples les uns aux autres pour trouver la réponse.
Les chercheurs ont d'abord utilisé un « échafaudage » d'acide nucléique plus long, puis ont ajouté un grand nombre de fragments d'ADN plus courts et les ont placés dans une solution salée chaude. Au fur et à mesure que la solution refroidit, les molécules d’ADN interagissent et se forment en structures plus stables. La structure résultante elle-même est la réponse au problème informatique.
Dans ce système, les molécules interagissent et forment une structure, et cette structure est le résultat des calculs, a expliqué Woods. La caractéristique la plus critique de l’ensemble du processus est que le système peut naturellement évoluer vers l’état d’énergie le plus bas, il n’est donc pas nécessaire d’avoir recours à un apport continu d’énergie externe pour piloter le calcul.
En d’autres termes, ce type d’ordinateur à ADN ne consomme pas continuellement d’électricité pour permettre aux transistors de commuter à grande vitesse. Au lieu de cela, il permet au système moléculaire de trouver par lui-même un état d’énergie plus faible et plus stable, et d’utiliser la structure moléculaire finale comme résultat.
Les chercheurs ont utilisé cette méthode pour exécuter une variété de programmes différents, certains avec des calculs pouvant atteindre 100 bits. Des expériences ont montré que ce système peut effectivement effectuer des calculs mathématiques prédéfinis sans nécessiter une alimentation continue en électricité.
Cependant, si l'on considère uniquement la vitesse de calcul unique, il existe encore un énorme écart entre celle-ci et les ordinateurs traditionnels basés sur silicium. Par exemple, l’un des calculs les plus rapides de l’expérience consistait à additionner 3 et 10, et même dans ce cas, il fallait environ 30 secondes pour obtenir le résultat. Pour les ordinateurs électroniques ordinaires, cette vitesse est presque négligeable.
Mais les chercheurs ont souligné que la valeur du calcul ADN ne réside pas dans la concurrence avec le processeur pour une vitesse de calcul unique. Les molécules d'ADN peuvent effectuer des réactions chimiques très parallèles et un grand nombre de calculs différents peuvent être effectués simultanément dans le même petit système de réaction. Ce type d’ordinateur est donc mieux adapté pour traiter certains problèmes qui peuvent se décomposer en un grand nombre de tâches parallèles.
Abeer Eshra, l'un des co-premiers auteurs de l'article, a déclaré que cette réaction peut se produire rapidement dans un tube à essai. Bien que la vitesse soit encore bien inférieure à celle d'un ordinateur à base de silicium, par rapport à d'autres systèmes informatiques à ADN, cette méthode est actuellement la solution la plus rapide.
L'ADN présente également un avantage que les ordinateurs électroniques traditionnels ne peuvent égaler : sa densité de stockage de données extrêmement élevée. Théoriquement, un gramme d’ADN peut stocker des centaines de millions de gigaoctets de données, ce qui signifie qu’une grande quantité d’informations numériques humaines pourrait même être compressée dans un très petit espace physique à l’avenir.
Si vous combinez la densité de stockage ultra-élevée de l'ADN avec une technologie de lecture et d'écriture de données à faible énergie, puis utilisez des mécanismes de calcul moléculaire qui tendent naturellement vers des états de faible énergie pour effectuer des tâches spécifiques, il est possible de former un système de traitement de données complètement différent des ordinateurs électroniques traditionnels.
Cette méthode de calcul est particulièrement adaptée aux scénarios qui ne nécessitent pas de traitement en temps réel à grande vitesse, mais nécessitent un stockage et un traitement à long terme d'informations massives. Comparé aux disques durs, SSD et centres de données traditionnels, l'ADN peut à la fois stocker des informations à des densités extrêmement élevées et rester stable pendant de longues périodes dans des conditions appropriées.
Les chercheurs pensent que le stockage de l'ADN et l'informatique de l'ADN pourraient être davantage intégrés à l'avenir, faisant de l'ADN non seulement un « disque dur moléculaire », mais également capable de calculer directement les données qui y sont stockées sans avoir à convertir au préalable toutes les informations en signaux électroniques.
Cela signifie que les futurs centres de données ne devront pas nécessairement être composés d'un grand nombre de puces et de périphériques de stockage à haut débit. Dans certaines applications spécifiques, les molécules d'ADN conçues peuvent simultanément entreprendre des tâches de stockage de données et de calcul, et produire directement des résultats par le biais de réactions chimiques.
Bien sûr, cette technologie en est encore aux tout premiers stades de recherche. La vitesse de réalisation d'un simple ajout en 30 secondes n'est évidemment pas comparable à celle des CPU, GPU et même des microcontrôleurs modernes. Dans les applications pratiques, le calcul de l'ADN doit également résoudre de nombreux problèmes tels que l'échelle de calcul, la lecture des résultats, le contrôle des réactions chimiques, la fiabilité et la fabrication par lots.
Par conséquent, l’importance de cette recherche ne signifie pas que les ordinateurs électroniques traditionnels seront bientôt remplacés par l’ADN, mais elle prouve que l’informatique ne nécessite pas nécessairement une consommation continue d’énergie électrique. Les chercheurs ont démontré un paradigme informatique totalement différent en laissant un système moléculaire évoluer de lui-même vers un état stable.
Alors que l'IA, le cloud computing et les centres de données continuent de faire augmenter la consommation mondiale d'énergie informatique, ce type de méthode informatique qui consomme très peu d'énergie, voire ne nécessite pas d'alimentation électrique continue, pourrait progressivement attirer davantage d'attention. À l’avenir, l’informatique ADN ne remplacera peut-être pas les ordinateurs à usage général, mais dans des domaines tels que les algorithmes spécifiques, le traitement massif d’informations et le stockage de données à long terme, elle pourrait développer des avantages difficiles à reproduire pour les ordinateurs électroniques.
Commentaires