Вычислительное устройство

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в повышении быстродействия и производительности вычислительного устройства при одновременном снижении энергопотребления вычислительным устройством. Технический результат достигается за счет вычислительного устройства, содержащего элементы хранения данных, выполненные в виде ДНК чипов естественного или синтетического происхождения с записанными в них микрокомандами и содержащими базу данных; ДНК реакторы, каждый из которых состоит из набора колб с биоматериалом и насосов; контроллер, выполненный с возможностью на основании электрических сигналов, полученных от вычислительного модуля, побуждать ДНК реакторы подавать из набора колб посредством неэлектрических двунаправленных каналов связи последовательности биоматериала, состоящие из азотистых оснований и ферментов; и генератор капель биоматериала, содержащий датчик анализа сгенерированных капель биоматериала, выполненный с возможностью анализа капель биоматериала различных размеров, декодирования закодированной информации и передачи декодированной информации вычислительному модулю. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники:

[0001] Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности, к вычислительному устройству для выполнения вычислительного процесса посредством элементов хранения данных, выполненных в виде ДНК чипов естественного или синтетического происхождения.

Уровень техники:

[0002] В настоящее время существует множество вычислительных устройств. Известен оптический цифровой компьютер (патент РФ 2284050, МПК G06F 15/76, G06F 13/36), содержащий блоки оптической общей разделяемой памяти, оптические интерфейсы ввода/вывода, оптический общий системный интерфейс, оптический процессорный блок (процессорный элемент), оптический ассоциативный процессорный блок, оптический цифровой сигнальный процессорный блок, оптические интерфейса ввода/вывода оптической интерфейсной сети компьютерной периферии, оптическую интерфейсную сеть компьютерной периферии. Недостатком этого решения является присущая всем вычислительные системам с общей разделяемой памятью необходимость обеспечивать когерентность КЭШ-памяти, то есть согласовывать содержимое различных копий отдельных фрагментов памяти, одновременно обрабатываемых различными процессорами, что негативно сказывается на производительности.

[0003] Также из уровня техники известно устройство для идентификации биологической последовательности (см. патент EP 2383670 A1). Известное устройство для выбора биологической подпоследовательности для ввода в запрос для идентификации заранее определенной биологической последовательности, содержит: средство для выбора подпоследовательности из данных биологической последовательности, хранящихся в памяти; а также средство для передачи подпоследовательности в запросе для идентификации предварительно определенной биологической последовательности с первым предварительно определенным уровнем достоверности, при этом первый уровень достоверности выше порога выбора. Однако известное решение также имеет в числе своих недостатков низкую производительность при высоком энергопотреблении.

Раскрытие изобретения:

[0004] Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков.

[0005] Техническим результатом при этом является повышение быстродействия и производительности вычислительного устройства при одновременном снижении энергопотребления вычислительным устройством.

[0006] Для достижения данного технического результата предложено вычислительное устройство, выполненное с возможностью выполнения вычислительного процесса над потоками данных посредством анализа капель биоматериала, содержащее: элементы хранения данных, выполненные в виде ДНК чипов естественного или синтетического происхождения с записанными в них микрокомандами и содержащими базу данных, где элементы хранения данных соединены, по меньшей мере, с двумя ДНК реакторами и обеспечивают возможность упомянутыми ДНК реакторами подавать по неэлектрическим двунаправленным каналам связи последовательность биоматериала, состоящую из азотистых оснований и ферментов в соответствии с упомянутыми микрокомандами; по меньшей мере, два ДНК реактора, каждый из которых соединен с вычислительным модулем посредством контроллера, при этом каждый из ДНК реакторов состоит из набора колб с биоматериалом и насосов, выполненных с возможностью создания давления в неэлектрических двунаправленных каналах связи для передачи последовательностей биоматериала в генератор капель; контроллер, выполненный с возможностью, на основании электрических сигналов, полученных от вычислительного модуля, побуждать ДНК реакторы подавать из набора колб посредством неэлектрических двунаправленных каналов связи последовательности биоматериала, состоящие из азотистых оснований и ферментов, где каждая последовательность биоматериала соответствует электрическому сигналу, при этом последовательности азотистых оснований и ферментов кодируют информацию, передаваемую в генератор капель; вычислительный модуль, соединенный с устройством ввода/вывода, и выполненный с возможностью передачи электрических сигналов в виде команд и/или инструкций контроллеру, приема данных от генератора капель и на их основании вывода на дисплей пользователя информации, соответствующей упомянутым данным; и генератор капель биоматериала, содержащий датчик анализа сгенерированных капель биоматериала, выполненный с возможностью анализа капель биоматериала различных размеров, декодирования закодированной информации и передачи декодированной информации вычислительному модулю, где размер капель прямо пропорционален объему закодированной в биоматериале информации, при этом упомянутый генератор капель выполнен с возможностью генерирования капель биоматериала, полученного посредством неэлектрических двунаправленных каналов связи, и передачи биоматериала, капли которого были проанализированы и декодированы упомянутым датчиком, обратно в ДНК реакторы посредством упомянутых каналов связи; при этом, по меньшей мере, два ДНК реактора соединены между собой, контроллером и с вычислительным модулем посредством первой группы входов/выходов электрических каналов связи, а также упомянутые ДНК реакторы соединены электрическими каналами через вычислительный модуль с устройством ввода/вывода посредством второй группы входов/выходов упомянутого контроллера; первый вход/выход устройства ввода/вывода через вычислительный модуль соединен с первым входом/выходом датчика анализа посредством электрических каналов связи, второй вход/выход устройства ввода/вывода соединен с первым входом/выходом вычислительного модуля посредством электрического канала связи, а второй вход/выход вычислительного модуля соединен со вторым входом/выходом генератора капель биоматериала.

[0007] Дополнительно неэлектрические двунаправленные каналы связи выполнены из пластикового или силиконового материала.

[0008] Дополнительно вычислительное устройство содержит охладительную систему, соединенную с вычислительным модулем, и выполненную с возможностью охлаждения всех элементов вычислительного устройства.

[0009] Очевидно, что как предыдущее общее описание, так и последующее подробное описание даны лишь для примера и пояснения и не являются ограничениями данного изобретения.

Краткое описание чертежей:

[0010] Фиг. 1 – схематичное изображение вычислительного устройства в соответствии с аспектом заявленного изобретения.

Осуществление изобретения:

[0011] Схематическое изображение вычислительного устройства 100 показано на фиг. 1. Вычислительное устройство 100 содержит элементы 101 хранения данных, выполненные в виде ДНК чипов естественного или синтетического происхождения, охладительную систему 102, по меньшей мере, два ДНК реактора 103, контроллер 104, генератор капель биоматериала 105, вычислительный модуль 106, устройство 107 ввода/вывода информации и датчик 108 анализа сгенерированных капель биоматериала.

[0012] Элементы 101 хранения данных выполнены в виде ДНК чипов естественного или синтетического происхождения с записанными в них микрокомандами и содержат базу данных. Элементы 101 хранения данных соединены, по меньшей мере, с двумя ДНК реакторами 103. ДНК чипы представляют собой множество небольших одноцепочечных молекул – ДНК-зондов, которые ковалентно пришиты к твёрдому основанию. Каждый такой зонд имеет строго определённую последовательность нуклеотидов и место на микрочипе. Одинаковые зонды располагаются вместе, образуя сайт микрочипа. Между сайтом и последовательностью ДНК зонда есть взаимно-однозначное соответствие. Элементы 101 хранения данных в контексте данного технического решения функционируют как внутренняя оперативная память, так и внутренняя постоянная память вычислительного устройства 100. Также элементы 101 хранения данных соединены с контролером 104, и на основании управляющих сигналов, принятых от контроллера 104, обеспечивают возможность ДНК реакторами 103 подавать по неэлектрическим двунаправленным каналам связи последовательность биоматериала, состоящую из азотистых оснований и ферментов в соответствии с упомянутыми микрокомандами.

[0013] Охладительная система 102 обеспечивает охлаждение всех элементов вычислительного устройства. Охладительная система 102 может быть жидкостной охладительной системой, воздушной охладительной системой и т.д. Охладительная система 102 соединена с вычислительным модулем 106, выполнена с возможностью переключения режимов охлаждения на основании управляющих сигналов, полученных от вычислительного модуля 106.

[0014] Вычислительное устройство 100 содержит также, по меньшей мере, два ДНК реактора 103, каждый из которых соединен с вычислительным модулем 106 посредством контроллера 104. Каждый из ДНК реакторов 103 состоит из набора колб (не показаны на фиг.) с биоматериалом и насосов (не показаны на фиг.), выполненных с возможностью создания давления в неэлектрических двунаправленных каналах связи для передачи последовательностей биоматериала в генератор капель биоматериала 105. ДНК реактор 103 может представлять из себя сложную трёхмерную систему микрофлюидных каналов в форме куба, состоящую из 64 входных каналов и до 10 000 выходных каналов, имеющих ширину каналов от 30 мкм до 1 мм. При этом, необходимо отметить, что вышеописанная форма и количество входных и выходных каналов дано лишь в качестве примера, а сам ДНК реактор 103 может иметь различные формы, например, форму цилиндра или параллелограмма, где в зависимости от формы может меняться количество как входных, так и выходных каналов. ДНК реакторы 103 соединены между собой, контроллером 104 и с вычислительным модулем 106 посредством первой группы входов/выходов электрических каналов связи, а также упомянутые ДНК реакторы 103 соединены электрическими каналами через вычислительный модуль 106 с устройством ввода/вывода 107 посредством второй группы входов/выходов упомянутого контроллера 104.

[0015] Контроллер 104 выполнен с возможностью, на основании электрических сигналов, полученных от вычислительного модуля 106, побуждать ДНК реакторы 103 подавать из набора колб (не показаны на фиг.) посредством неэлектрических двунаправленных каналов связи последовательности биоматериала, состоящие из азотистых оснований и ферментов. Каждая последовательность биоматериала соответствует электрическому сигналу, а последовательности азотистых оснований и ферментов кодируют информацию, передаваемую в генератор капель 105. В качестве азотистых оснований могут использоваться, но не ограничиваясь этим, цитозин, гуанин, аденин, тимин и т.д. Именно их последовательность кодирует информацию. С помощью ферментов эту информацию можно изменять: полимеразы достраивают цепочки ДНК, а нуклеазы их разрезают и укорачивают. Некоторые ферменты способны разрезать и соединять цепи ДНК в местах, указываемых другими ферментами – лигазами.

[0016] Генератор 105 капель биоматериала содержит датчик 108 анализа сгенерированных капель биоматериала. Датчик 108 выполнен с возможностью анализа капель биоматериала различных размеров, декодирования закодированной информации и передачи декодированной информации вычислительному модулю 106. Размер капель прямо пропорционален объему закодированной в биоматериале информации. Генератор 105 капель выполнен с возможностью генерирования капель биоматериала, полученного посредством неэлектрических двунаправленных каналов связи, и передачи биоматериала, капли которого были проанализированы и декодированы упомянутым датчиком 108, обратно в ДНК реакторы 103 посредством упомянутых каналов связи. Неэлектрические двунаправленные каналы связи, упомянутые в контексте настоящего технического решения, могут быть выполнены из пластикового материала, силиконового материала и т.д. Генерация капель происходит за счет тактовой работы насоса (не показан на фиг.) и контроллера 104: подача жидкости и воздуха, комбинация давления, скорости и продолжительности.

[0017] Вычислительный модуль 106 может представлять собой распределенную мультипроцессорную вычислительную систему. Посредством вычислительного модуля 106 происходит инициирование всех вычислительных процессов вычислительного устройства 100 путем управляющих воздействий на контроллер 104 и охладительную систему 102. Вычислительный модуль 106 соединен с устройством ввода/вывода 107, и выполнен с возможностью передачи электрических сигналов в виде команд и/или инструкций контроллеру 104, приема данных от датчика 108, находящемся в составе генератора капель 105 и на основании принятых данных вывода на дисплей пользователя информации, соответствующей упомянутым данным.

[0018] Устройство 107 ввода/вывода информации обеспечивает взаимодействие пользователя с вычислительным устройством 100. В качестве устройства ввода/вывода может использоваться клавиатура, мышь, дисплей, сенсорный дисплей или их совокупность. Первый вход/выход устройства ввода/вывода 107 через вычислительный модуль 106 соединен с первым входом/выходом датчика 108 анализа посредством электрических каналов связи, второй вход/выход устройства ввода/вывода 107 соединен с первым входом/выходом вычислительного модуля 106 посредством электрического канала связи, а второй вход/выход вычислительного модуля 106 соединен со вторым входом/выходом генератора 105 капель биоматериала.

[0019] Также необходимо отметить, что вычислительное устройство 100 выполнено с возможностью функционирования на двух режимах работы. Первый режим работы является высоким. На нём происходит циркуляция биоматериала в крупной системе неэлектрических двунаправленных каналов связи, где размеры упомянутых каналов расположены в диапазоне от 12 мм до 16 мм. На данном режиме работы циркуляция биоматериала происходит в течение длительного времени (от суток до нескольких месяцев). Данный режим работы рассчитан для работы с крупными массивами данных: библиотеками, наборами команд и т.д. Второй режим работы является низким. На данном режиме работы происходит работа с дискретными сигналами, создаются частные случаи решения отдельных задач и управляются пакеты данных и библиотек из верхнего уровня.

[0020] Хотя данное изобретение было показано и описано со ссылкой на определенные варианты его осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны в нем, не покидая фактический объем изобретения.

1. Вычислительное устройство, выполненное с возможностью выполнения вычислительного процесса над потоками данных посредством анализа капель биоматериала, содержащее:

- элементы хранения данных, выполненные в виде ДНК чипов естественного или синтетического происхождения с записанными в них микрокомандами и содержащими базу данных, где элементы хранения данных соединены, по меньшей мере, с двумя ДНК реакторами и обеспечивают возможность упомянутыми ДНК реакторами подавать по неэлектрическим двунаправленным каналам связи последовательность биоматериала, состоящую из азотистых оснований и ферментов в соответствии с упомянутыми микрокомандами;

- по меньшей мере, два ДНК реактора, каждый из которых соединен с вычислительным модулем посредством контроллера, при этом каждый из ДНК реакторов состоит из набора колб с биоматериалом и насосов, выполненных с возможностью создания давления в неэлектрических двунаправленных каналах связи для передачи последовательностей биоматериала в генератор капель;

- контроллер, выполненный с возможностью на основании электрических сигналов, полученных от вычислительного модуля, побуждать ДНК реакторы подавать из набора колб посредством неэлектрических двунаправленных каналов связи последовательности биоматериала, состоящие из азотистых оснований и ферментов, где каждая последовательность биоматериала соответствует электрическому сигналу, при этом последовательности азотистых оснований и ферментов кодируют информацию, передаваемую в генератор капель;

- вычислительный модуль, соединенный с устройством ввода/вывода, и выполненный с возможностью передачи электрических сигналов в виде команд и/или инструкций контроллеру, приема данных от генератора капель и на их основании вывода на дисплей пользователя информации, соответствующей упомянутым данным; и

- генератор капель биоматериала, содержащий датчик анализа сгенерированных капель биоматериала, выполненный с возможностью анализа капель биоматериала различных размеров, декодирования закодированной информации и передачи декодированной информации вычислительному модулю, где размер капель прямо пропорционален объему закодированной в биоматериале информации, при этом упомянутый генератор капель выполнен с возможностью генерирования капель биоматериала, полученного посредством неэлектрических двунаправленных каналов связи, и передачи биоматериала, капли которого были проанализированы и декодированы упомянутым датчиком, обратно в ДНК реакторы посредством упомянутых каналов связи; при этом

- по меньшей мере, два ДНК реактора соединены между собой, контроллером и с вычислительным модулем посредством первой группы входов/выходов электрических каналов связи, а также упомянутые ДНК реакторы соединены электрическими каналами через вычислительный модуль с устройством ввода/вывода посредством второй группы входов/выходов упомянутого контроллера;

- первый вход/выход устройства ввода/вывода через вычислительный модуль соединен с первым входом/выходом датчика анализа посредством электрических каналов связи, второй вход/выход устройства ввода/вывода соединен с первым входом/выходом вычислительного модуля посредством электрического канала связи, а второй вход/выход вычислительного модуля соединен со вторым входом/выходом генератора капель биоматериала.

2. Вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что неэлектрические двунаправленные каналы связи выполнены из пластикового или силиконового материала.

3. Вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит охладительную систему, соединенную с вычислительным модулем и выполненную с возможностью охлаждения всех элементов вычислительного устройства.