Биокомпьютеры Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Секция «Информационно-экономические системы»

УДК 004.021

Д. Е. Смолякова Научный руководитель - А. П. Багаева Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

БИОКОМПЬЮТЕРЫ

Рассмотрены этапы разработки, принципы функционирования биокомпьютеров. Выявлены основные преимущества и недостатки их деятельности, а так же область применения и перспективы развития.

С каждым годом разработка и совершенствование полупроводниковых технологий создает у ученых все больше трудностей, однако это подталкивает к поиску все новых альтернативных путей развития вычислительных систем. Одним из таких путей явилась попытка исследователей из различных областей науки (биологии, физики, химии, генетики, информатики) создать уникальную систему для осуществления обработки и хранения данных - гибрид информационных и молекулярных технологий и биохимии - биокомпьютер.

Производительные особенности биокомпьютеров основываются на биологических свойствах молекул ДНК и РНК, при помощи которых в живой клетке происходит кодировка генетической информации и, с помощью специальных ферментов, осуществляется синтез белка.

Первым шагом к созданию уникальной машины стало решение рядом ученых логических задач биохимическими методами. Так, калифорнийскому исследователю Л. Элдмену удалось решить задачу га-мильтонова пути, опытным путем доказав, что молекулы ДНК могут решать вычислительные задачи, которые представляют наибольшие трудности для традиционных компьютеров. Р. Липтон впервые показал, как, используя ДНК, разрешить проблему удовлетворения логического выражения и кодировки двоичных чисел. Кроме того, при помощи РНК было выведено решение нескольких комбинаторных задач [2].

Разработки этих ученых стали предпосылкой к созданию первой в мире модели биокомпьютера, которая была сконструирована И. Шапиро в 1999 г. и имитировала работу «молекулярной машины» в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК. Однако эта первичная модель была далеко не совершенна в своих качествах и представляла собой примитивный механизм из пластмассы. Но уже в 2001 г. Шапиро удалось реализовать модель в реальном биокомпьютере, который состоял из молекул ДНК, РНК, специальных ферментов, а также из трех основных компонентов: сенсоров, передатчиков и исполнительных элементов. Работа такой машины строилась, во-первых, на обнаружении в клетке молекул определенного типа, во-вторых, на передачи информации об обнаружении и, в-третьих, на запуске производства специального белка. При этом молекулы фермента играли роль аппаратного, а молекулы ДНК - программного обеспечения. В процессе работы такого биокомпьютера в одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений могла

достигать миллиарда операций в секунду, а их точность доходила до 99,8 %.

В настоящее время, диапазон вычислительных операций биокомпьютера, разработанного Шапиро, очень узок, и с его помощью можно осуществлять решения только самых простых задач, удовлетворяющих ответу «истина» и «ложь». Недоработка проекта заключалась в том, что во время проведения эксперимента за один цикл все молекулы ДНК параллельно решали единственную задачу. Однако потенциально они могли бы трудиться одновременно над разными задачами, в то время как традиционные ПК являются, по сути, однозадачными.

Последующая модель биокомпьютера, разработанная в сотрудничестве с доцентом токийского университета А. Тояма представляла собой более совершенную версию ДНК-компьютера с молекулярной и электронной составляющей и позволяла осуществлять химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивая поиск и выделение результата вычислений, обрабатывать информацию и анализировать полученные результаты.

Каждая клетка биокомпьютера представляет собой миниатюрную химическую лабораторию и, при необходимости, запрограммировав только один биоорганизм, можно получить от него массу полезных химических превращений. А в то время, когда ДНК-компьютинг будет использоваться для генетического анализа в полной мере, задачи, которые ранее выполнялись в течение трех дней, можно будет решать за несколько часов.

По сравнению с обычными вычислительными устройствами биокомпьютеры имеют ряд уникальных особенностей. Во-первых, они используют не бинарный, а тернарный код (информация в них кодируется тройками нуклеотидов). Во-вторых, они могут выполнять до 1014 операций в секунду. В-третьих, вычислительные устройства на основе ДНК хранят данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков. И, наконец, ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление [3].

Однако в разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана со считыванием результата. Современные способы определения кодирующей последовательности несовершенны, трудоемки и дорогостоящи. Вторая проблема - ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1 % при синтезе оснований считается очень хорошей, однако в области информационных технологий она неприемлема. Также,

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Информационные технологии

ученые сталкиваются с проблемой возникновения в ДНК точечных мутаций, что делает процесс считывания информации невозможным. Молекулы ДНК имеют свойство распадаться с течением времени, а значит, способны исчезать на глазах и результаты вычислительных операций.

Несмотря на то, что биокомпьютеры не рассчитаны на широкие массы пользователей, ученые надеются, что они найдут свое место в медицине и фармации. В перспективе ДНК-наномашины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями, производить гормоны, синтезировать лекарственные вещества и доставлять их к определенному органу. Большие надежды возлагаются на способность биокомпьютеров осуществлять дистанционное управление процессами в биосистемах. Это позволило бы справляться с такими болезнями как рак, СПИД, генетические уродства, осуществлять управление социогенетическими процессами и, в конечном итоге, изменять время жизни человека. Основываясь на принципе объединения биоло-

гических и информационных технологий, клеточные компьютеры сделают возможным управление сложными системами, предприятиями, заводами, регулирование биологических процессов внутри человеческого организма [1].

Таким образом, создание биокомпьютеров является очень перспективным и одновременно трудоемким процессом, а сочетание биологических и компьютерных систем содержит в себе огромный потенциал.

Библиографические ссылки

1. Щукин Д. Биокомпьютеры - есть ли перспективы? //Компьютерные вести. 2005. № 28.

2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии. М. : Техносфера, 2004.

3. Лаборатория биологических микрочипов // Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгель-гардта РАН. 2009. URL: http://www.biochip.ru/.

© Смолякова Д. Е., Багаева А. П., 2010

УДК 004

А. А. Соболевская Научный руководитель - Т. Г. Долгова Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТЕЖЕЙ

В последние годы наблюдается тенденция развития различных видов коммуникаций, позволяющих производить транзакции денежных средств. Это, прежде всего - сеть Интернет, а также мобильные сетевые технологии. Кроме того, происходит постоянное усовершенствование и консолидация аппаратных средств. В этой связи появление и постоянный рост рынка систем электронных платежей является закономерностью.

Под системами электронных платежей понимается комплекс специализированных программных средств, обеспечивающий транзакции денежных средств от потребителя к поставщику товаров или услуг.

Системы электронных платежей можно разделить на следующие виды:

- Системы интернет-банкинга.

- Процессинговые центры электронных платежей (интернет-эквайринг).

- Электронные платежные системы.

- Интернет-банкинг - это система дистанционного банковского обслуживания клиентов через Интернет.

Современные интернет-технологии позволяют банкам существенно ускорить и упростить документооборот, сократив объем бумажной работы. Управление счетом через Интернет позволяет не только экономить время, но и приносит заметную выгоду. Так, некоторые банки снижают тарифы на операции через Интернет, другие вводят фиксированную ставку за операцию, а третьи - единую плату за любое число платежных поручений, что особенно выгодно для корпоративных клиентов.

За последние годы резко увеличилось количество банков, предоставляющих услугу дистанционного обслуживания счета через интернет. Летом 2004 г. примерно каждый третий банк поддерживал интернет-банкинг. В 2005 г., по данным опроса CNews Analytics, системы ДБО установили более половины всех российских банков. В этом году без подобных систем останутся лишь единицы.

По опросам CNews Analytics на сегодняшний день более половины всех российских банков имеют системы ДБО (дистанционное банковское обслуживание). Правда, это говорит скорее о потенциальной емкости рынка, поскольку многие банки, приобретя лицензии, реально так и не начали использовать системы в работе, либо пока обкатывают их на афи-лированных компаниях.

Процессинговые центры электронных платежей представляют собой некий посреднический сервис -шлюз между поставщиком товаров или услуг, желающим принимать платежи на свой банковский счет через Интернет, и банком, предоставляющим услуги интернет-банкинга.

В настоящее время, процессинговые центры сотрудничают не только с банками, но и с различными