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Biocomputador faz computação paralela só com hardware

Biomputador faz computação paralela só com hardware
Os filamentos são bastante rígidos, podendo virar para a esquerda ou para a direita, dependendo do ângulo das esquinas e cruzamentos dos microcanais. [Imagem: Till Korten/Mercy Lard/Falco van Delft]

Computação paralela

Uma nova abordagem de computação paralela com base em uma combinação de nanotecnologia e biologia conseguiu resolver problemas combinatórios virtualmente intratáveis pelos computadores eletrônicos atuais.

O tempo necessário para o biocomputador resolver um problema combinatorial de tamanho N é aproximadamente N2, o que é uma melhoria significativa em relação à escala exponencial 2N de tempo exigida pelos computadores convencionais, que são sequenciais, e não paralelos, como o biocomputador.

O biocomputador foi construído por pai e filho, Dan Nicolau e Dan Nicolau Jr., da Universidade Tecnológica de Dresden, na Alemanha, com a colaboração de uma equipe internacional formada por pesquisadores do Canadá, Inglaterra, Suécia, EUA e Holanda.

Processador biológico

O biocomputador foi construído juntando a tecnologia de nanofabricação disponível na indústria eletrônica com motores moleculares que são altamente eficientes em termos energéticos e que operam de forma autônoma.

O processador biológico é baseado em uma rede geométrica projetada matematicamente para representar o problema combinatorial. Partindo desse modelo matemático, é então criada uma rede física utilizando a litografia tradicional, usada na fabricação de chips.

Ou seja, o problema a ser resolvido - neste caso um problema combinatório referencial, notoriamente difícil de ser resolvido pelos computadores sequenciais - é "codificado" dentro do próprio processador, em uma rede de canais em nanoescala.

Motores moleculares

Quem resolve o problema são filamentos de proteína (filamentos ou microtúbulos de actina) que são autopropelidos por uma camada de proteínas formada por motores moleculares - miosina ou cinesina. Diferentes tipos de esquinas e cruzamentos entre os microcanais orientam automaticamente os filamentos para a solução correta do problema.

A grande vantagem é que a rede é explorada em paralelo por muitos motores moleculares, o que agiliza muito o tempo necessário para solucionar o problema.

Já os processadores eletrônicos são mecanismos de computação sequenciais, processando apenas um cálculo de cada vez. Isso torna difícil resolver problemas de natureza combinatória, como o dobramento de proteínas ou o roteamento eficiente de pacotes em uma rede de dados, uma vez que o número de cálculos necessários para resolver problemas assim cresce exponencialmente com o tamanho do problema.

Biomputador faz computação paralela só com hardware
O processador biológico é muito rápido, mas o problema não é resolvido por software: o problema é codificado no próprio hardware. [Imagem: Till Korten/Mercy Lard/Falco van Delft]

Sem software, só hardware

A abordagem utilizada no protótipo é escalável, tolerante a falhas e energeticamente eficiente, além de poder ser fabricada com as tecnologias existentes.

Mas o fato de que o problema é gravado no hardware é um empecilho que precisará ser vencido se os biocomputadores paralelos pretendem alcançar o uso prático.

"É difícil dizer quanto tempo levará até vermos um supercomputador biológico totalmente funcional. Uma opção para lidar com problemas maiores e mais complexos poderia ser combinar nosso dispositivo com um computador convencional para formar um dispositivo híbrido. Nós já estamos trabalhando em uma variedade de maneiras para levar a pesquisa adiante," disse Nicolau "pai".

Bibliografia:

Parallel computation with molecular-motor-propelled agents in nanofabricated networks
Dan V. Nicolau Jr., Mercy Lard, Till Korten, Falco C. M. J. M. van Delft, Malin Persson, Elina Bengtsson, Alf Mansson, Stefan Diez, Heiner Linke, Dan V. Nicolau
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: Early Edition
DOI: 10.1073/pnas.1510825113




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