Suchen

Nanocomputing Molekulare motorbetriebene Bio-Computer

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Startschuss für neue Computer auf Basis von Biomolekülen: An den Fraunhofer-Instituten für Silicatforschung IPC und Elektronische Nanosysteme ENAS beginnt das mit 6,1 Millionen Euro von der EU beförderte Forschungs- und Entwicklungsprojekt EU-Horizon 2020. Ziel sind molekülgroße Rechnereinheiten, die mit geringstem Energie- und Kühlbedarf auskommen.

Firmen zum Thema

Schema von Bioinformatik-Einheiten, die mit Hilfe von molekularen Motoren durch eine Kreuzung inmitten eines Kanal-Netzwerkes geführt werden: Forscher der Fraunhofer Institute IPS und ENAS sowie der TU Dresden erforschen gemeinsam an Biocomputern, die mit Hilfe von Nanoverbindungen Rechneraufgaben unter geringstem Energieaufwand durchführen sollen.
Schema von Bioinformatik-Einheiten, die mit Hilfe von molekularen Motoren durch eine Kreuzung inmitten eines Kanal-Netzwerkes geführt werden: Forscher der Fraunhofer Institute IPS und ENAS sowie der TU Dresden erforschen gemeinsam an Biocomputern, die mit Hilfe von Nanoverbindungen Rechneraufgaben unter geringstem Energieaufwand durchführen sollen.
(Bild: Till Korten/TUDresden)

Fehler in Software oder Computerchips verursacht Abstürze von Computern oder Smartphones und ermöglichen Hackern das Stehlen von Passwörtern. Automatisierte Prüfverfahren könnten diese Probleme vermeiden. Leider steigt die dafür benötigte Rechenleistung exponentiell mit der Größe des Programmes an. Daher ist für herkömmliche Computer der Energieverbrauch der Kühlungsbedarf und die benötigte Rechenleistung zu hoch, um große Programme zu überprüfen.

Bildergalerie

Ein vor Kurzem gestartetes Forschungsprojekt hat die Entwicklung eines Bio-Computers zum Ziel, der zwei Hauptprobleme der Supercomputer von heute überwinden soll: Zum einen verbrauchen Supercomputer erhebliche Mengen elektrischen Stromes, sodass die Entwicklung mächtigerer Computer vor allem an der Kühlung der Prozessoren scheitert. Zum anderen sind heutige Computer nicht besonders gut darin, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erledigen.

Der Bio-Computer auf Basis von molekularen Motoren verbraucht im Vergleich zu herkömmlichen Computern nur einen Bruchteil der Energie pro Rechenoperation. Außerdem kann er sehr viele Operationen gleichzeitig ausführen und ist daher besonders für Probleme wie die Softwareüberprüfung geeignet, bei der sehr viele Lösungen überprüft werden müssen.

Der Einfluss dieser Forschung beschränkt sich nicht auf das Design fehlerfreier Software: „Praktisch betrachtet können alle wirklich interessanten mathematischen Probleme der heutigen Zeit mit unserer derzeitigen Computertechnologie nicht effizient berechnet werden“, so Dan V. Nicolau, Ph.D. M.D., vom britischen Unternehmen MolecularSense, das die initiale Idee zur Nutzung biomolekularer Motoren als Computer hatte. Diese Grenze, ab der ein Problem zu schwierig für einen Computer wird, möchte das hier vorgestellte neue Projekt durch die Nutzung biomolekularer Motoren als Recheneinheiten hinausschieben: Die Grundidee ist, dass die – jeweils nur wenige Milliardstel eines Meters (d.h. Nanometer) kleinen – biomolekularen Maschinen Probleme lösen, indem sie sich durch ein Netzwerk winziger Kanäle bewegen. Das per Nanofabrikation hergestellte Netzwerk repräsentiert dabei einen mathematischen Algorithmus (siehe Bild).

Dieser Ansatz wird von den Forschern als „netzwerk-basierter Bio-Computer“ bezeichnet. Jedes Mal, wenn die Biomoleküle eine Kreuzung im Netzwerk erreichen, können sie entscheiden, ob sie eine Zahl addieren oder nicht. Jedes einzelne Biomolekül fungiert so als ein winziger Computer – mit Prozessor und Arbeitsspeicher. Obwohl jedes Biomolekül für sich betrachtet viel langsamer rechnet als ein elektronischer Computer, kann die schiere Anzahl an Molekülen dank Selbstorganisation eine große Rechenleistung entwickeln.

Dieser Ansatz funktioniert in kleinem Maßstab auch schon in der Praxis, wie die Forscher in einer Publikation im wissenschaftlichen Magazin PNAS zeigen konnten. „Wir nutzen die molekularen Motoren von Zellen, die in Milliarden von Jahren der Evolution optimiert wurden, als hocheffiziente Nanomaschinen“ sagt Prof. Stefan Diez, der das teilnehmende Dresdner Forschungsteam leitet. „Die biologischen Recheneinheiten können sich selbst vermehren, um sich der Schwierigkeit des mathematischen Problems anzupassen“, ergänzt Dr. Till Korten von der TU Dresden, Mitkoordinator des Bio4Comp Projektes und gemeinsamer Erstautor der PNAS Publikation.

(ID:44586853)