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.
