DNA slouží v souvislosti s počítači jako mimořádně husté médium, do něhož lze převádět digitální soubory pomocí čtveřice nukleotidových bází. Tým vedený výzkumníky z Pensylvánské státní univerzity tak použil DNA jako jednu z funkčních vrstev elektronické paměťové součástky.
Výsledkem je biohybridní memristor kombinující krátké řetězce uměle připravené DNA s perovskitem. Podle studie zveřejněné v odborném časopise Advanced Functional Materials pracuje zařízení při napětí nižším než 0,1 voltu a dosahuje plošného příkonu 0,01 wattu na centimetr čtvereční.
Takové součástky by mohly v budoucnu přispět k vývoji úspornějších pamětí. Využití by mohly nalézt také v počítačích inspirovaných činností lidského mozku, které mají ukládat a zpracovávat informace jiným způsobem než dnešní stroje.
Článek, který si pamatuje
Memristor lze zjednodušeně popsat jako elektronickou součástku, jejíž odpor závisí na tom, co se s ní dělo v minulosti. Elektrický odpor přitom určuje, jak snadno může součástkou procházet proud. Vysoký a nízký odpor mohou představovat dva odlišné paměťové stavy, podobně jako jednička a nula v digitálním zápisu.
Rozdíl oproti obyčejnému rezistoru spočívá v tom, že memristor dokáže svůj poslední stav uchovat také po odpojení napájení. Když je zařízení znovu zapnuto, součástka si podle svého odporu stále „pamatuje“, jaký elektrický impulz jí dříve prošel.
V dnešních počítačích se informace neustále přesouvají mezi pamětí a procesorem. Přenos velkého množství dat zabírá čas a spotřebovává energii, což se projevuje například při provozu systémů umělé inteligence. Memristory by mohly některé jednoduché výpočty provádět přímo v místě, kde jsou informace uloženy.
DNA zatím nenahradí pevný disk
O ukládání dat do DNA se hovoří již delší dobu. V takovém případě se digitální jedničky a nuly převádějí do pořadí čtyř základních stavebních prvků DNA – adeninu, cytosinu, guaninu a thyminu. Výsledný řetězec může nést obrovské množství informací, k jejich přečtení je však potřeba DNA analyzovat pomocí laboratorních metod.
Vědci použili velmi krátké syntetické řetězce tvořené pouze 22 stavebními jednotkami. Takto krátkou DNA lze navrhnout s mnohem větší přesností než přírodní molekuly, které mohou vytvářet obtížně předvídatelné struktury. Do syntetických řetězců byly navíc začleněny nanočástice stříbra, tedy částice mnohonásobně menší než šířka lidského vlasu.
Takto upravenou DNA výzkumníci spojili s tenkou vrstvou perovskitu a obě části umístili mezi kovové elektrody. Perovskit fungoval jako polovodič, zatímco DNA se stříbrem pomáhala usměrňovat pohyb náboje a stabilizovat rozhraní mezi jednotlivými vrstvami.
Poměr mezi dvěma paměťovými stavy překročil hodnotu 100 000. V praxi to znamená, že stav s vysokým odporem byl od stavu s nízkým odporem odlišný. Elektronika je proto mohla spolehlivě rozpoznat a nehrozilo, že by se oba stavy kvůli drobným výkyvům snadno zaměnily.
Experimentální součástka přecházela mezi vysokým a nízkým odporem při napětí pod 0,1 voltu. Plošný příkon dosahoval 0,01 wattu na centimetr čtvereční. Zařízení navíc nepotřebovalo takzvané elektroformování, tedy úvodní působení silnějšího napětí, které některé odporové paměti vyžadují před prvním použitím.
Memristor vydržel tisíc přepnutí a při samostatném testu udržel zapsaný stav po dobu čtyř tisíc sekund, tedy přibližně 67 minut. Výzkumníci zároveň sledovali vzorky uložené v běžných podmínkách. Výrazný rozdíl mezi vysokým a nízkým odporem přetrvával déle než šest týdnů.
K běžným počítačům má technologie stále daleko
Přestože naměřené hodnoty vypadají slibně, nejde o paměť, kterou by bylo možné v dohledné době vložit do notebooku nebo telefonu. Výzkumníci zatím představili laboratorní prototyp. Tisíc spínacích cyklů postačuje k ověření základního principu, komerční paměti však musejí zvládnout nesrovnatelně větší počet zápisů a fungovat spolehlivě po mnoho let.
Další překážkou bude výroba rozsáhlých polí tvořených velkým množstvím stejně fungujících buněk. Nestačí totiž vyrobit jeden úspěšný memristor. Aby technologie našla praktické využití, musely by miliony či miliardy těchto prvků vykazovat podobné vlastnosti a dát se začlenit do současných výrobních postupů.
Otázky vyvolává také samotný perovskit. Některé perovskitové materiály jsou citlivé na vlhkost, vyšší teplotu nebo dlouhodobé působení okolního prostředí. Sloučenina použitá v experimentu navíc obsahovala olovo, takže případné komerční nasazení by vyžadovalo bezpečné zapouzdření zařízení a promyšlenou recyklaci.
