Bước đột phá sau 20 năm
Dự án kết hợp sinh học, tin học và kỹ thuật, với sự tham gia của các nhà khoa học từ Canada, châu Âu, Anh và Australia. Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị có thể giải quyết những bài toán mà máy tính tiêu chuẩn xử lý rất khó khăn, đặc biệt là các bài toán dạng cây quyết định.
*“Máy tính điện tử, vốn hoạt động tuần tự, không được nghĩ ra hay thiết kế để giải các cây quyết định.” — Dan Nicolau*
Ông Dan Nicolau, giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại học McGill và tác giả chính của nghiên cứu, giải thích rằng nếu máy tính điện tử phải giải loại bài toán này, chúng sẽ cần một lượng bộ nhớ RAM rất lớn.
Hai loài vi khuẩn, hai vai trò
Nghiên cứu sử dụng hai loài vi khuẩn với những đặc tính khác nhau để thực hiện các phép tính:
- Escherichia coli được chọn vì di chuyển trong chất lỏng theo cách có thể dự đoán và đo lường được.
- Vibrio natriegens được chọn nhờ khả năng sinh sản cực nhanh.
Việc dùng vi khuẩn sống thay cho xử lý kỹ thuật số giúp máy tính sinh học giải những bài toán lớn và phức tạp với lượng bộ nhớ và tài nguyên tối thiểu so với các thiết bị truyền thống.
Biến bài toán thành mạng lưới đường hầm
Để thử nghiệm hệ thống, nhóm nghiên cứu sử dụng Bài toán Tổng tập con, một bài toán trở nên khó hơn theo cấp số nhân khi lượng dữ liệu đầu vào tăng lên. Khi dữ liệu quá lớn, máy tính truyền thống có thể mất hàng thế kỷ, thậm chí hàng triệu năm để tìm ra lời giải.
Các nhà khoa học chuyển bài toán thành một sơ đồ phân nhánh theo mọi tổ hợp dữ liệu có thể, rồi xây dựng một cấu trúc vật lý siêu nhỏ tái hiện các nhánh đó bằng mạng lưới đường hầm. Mỗi điểm rẽ nhánh là một điểm quyết định, và mỗi lộ trình trong đường hầm tương ứng với một lời giải khác nhau.
Vi khuẩn khám phá nhiều lối đi cùng lúc
Trong mạng lưới đường hầm, các nhà nghiên cứu thả những vi khuẩn sinh sản nhanh để chúng di chuyển theo các lối đi khác nhau, qua đó khám phá đồng thời nhiều con đường dẫn tới lời giải. Dù quá trình này chậm hơn xử lý kỹ thuật số, khả năng kiểm tra nhiều lời giải cùng lúc thay vì tuần tự là nền tảng tạo nên hiệu quả của hệ thống.
Bản thân quá trình sinh sản của vi khuẩn trong đường hầm còn tạo thêm các “đơn vị xử lý” khi cần nhiều sức mạnh tính toán hơn. Nhóm nghiên cứu dùng phân tích hình ảnh tự động để theo dõi đường đi của vi khuẩn và điều chỉnh nhiệt độ để tránh tình trạng vi khuẩn chen chúc.
Có thể chạy Doom và định nghĩa lại máy tính
Khi được hỏi liệu hệ thống có thể chạy trò chơi Doom năm 1993 hay không, ông Nicolau cho rằng có lẽ là có, nhưng thiết bị sẽ phải “khổng lồ” vì các bộ xử lý vi khuẩn chậm chạp đòi hỏi rất nhiều vi khuẩn. Ông cũng cho rằng vì không cần bộ nhớ RAM, máy tính sinh học có thể góp phần giải quyết tình trạng khan hiếm linh kiện này trên toàn cầu.
*“Máy tính là thiết bị nhận các con số đầu vào và cho ra các con số đầu ra. Chấm hết. Mọi cách dùng khác của từ máy tính, theo quan điểm của chúng tôi, đều mang tính thi ca.” — Dan Nicolau*
Dù vậy, công nghệ này vẫn ở giai đoạn nghiên cứu, với những hạn chế rõ ràng về tốc độ và kích thước, và còn nhiều bước cần thực hiện trước khi có thể ứng dụng rộng rãi.
