חיסכון באנרגיה, חיסכון בזמן

בתחילת החודש נערך במכון לננו טכנולוגיה וחומרים מתקדמים בבר-אילן הכנס IPSTA: The Israel Society for Plasma Science and Technology Applications, העוסק במחקרים חדשים בתחום של הנדסת החומרים. בכנס, במסגרת פאנל שעסק בדאטה סיינס עבור חומרים חדשים הציג פרופ' הלל קוגלר את העבודה הנעשית במעבדה שלו בתחום המעגלים הביולוגיים. "הצגנו בכנס 'מעגל ביולוגי', השונה מהמעגלים הסטנדרטיים של היום, המבוססים על אלקטרונים וזרמים חשמליים. מעגל חשמלי סטנדרטי עובד על בסיס שינויי מתחים, הנובעים מזרמים חשמליים. בשביל ליצור זרם חשמלי יש צורך בכמות גדולה של אלקטרונים הנעה יחד בכיוון מסוים. אנו באים להחליף את האלקטרונים ביחידות עיבוד ביולוגיות (למשל: מולקולות), כאשר כל אחת מהן יכולה בנפרד לבצע פעולה בפני עצמה. אמנם כל יחידת עיבוד קטנה יכולה לבצע פעולה פשוטה ובסיסית, אך כיוון שכל אחת עצמאית, ניתן להשתמש בכמות גדולה של יחידות עיבוד באופן מקבילי ובכך לבצע פעולות מורכבות בזמן קצר," מסבירה המאסטרנטית מישל אלוף-מדינה, העושה את עובדת התזה שלה במסגרת הפרויקט. "למעגל הבנוי על בסיס יחידות עיבוד ביולוגיות יש  שני יתרונות מרכזיים: הראשון, חיסכון בזמן. בניגוד למחשבים של היום, שבהם המעגלים עובדים בצורה לינארית – המעגל שלנו מקבילי, ויכול לחשב דברים במקביל על ידי יחידות עיבוד שונות. השני, חיסכון באנרגיה, גם בגלל מהירות החישוב, וגם בגלל שהמעגל משתמש בחומרים ביולוגיים ולא בחשמל (אלקטרונים)".

המחקר הוא שיתוף פעולה של מספר קבוצות מחקר באירופה, המשלבות ידע ממגוון תחומים – ביולוגיה, פיזיקה, הנדסה ועוד. אלוף-מדינה (31), מובילה במסגרת המחקר את נושא האימות הפורמלי. "אימות פורמלי הוא תחום שקשור לא רק לרשתות ביולוגיות, אלא לתחומים רבים בהנדסה, ומטרתו לבדוק נכונות של משהו לפני שמפתחים אותו, ולוודא שלוגית הוא אמור לעבוד בצורה שרצינו. כלומר, אנו מוודאים שאין לנו שגיאות בתכנון, במטרה להימנע מטעויות שיעלו לנו בזמן, באנרגיה ובכסף", היא מחדדת. "בכדי לעשות זאת, אנחנו בונים מעגלים שבנויים כמו מבוך, אשר מקודד לבעיה מורכבת כלשהי, ומתכננים אותם כך שהחומרים הביולוגיים יורשו לנוע במסלולים מסוימים, המרכיבים יחד ומייצגים ביחד, בצורה אחרת, את הבעיה המקורית. אחר כך אנחנו מכניסים לתוך המבוך הזה חומרים ביולוגיים שנעים ברשת בצורה מקבילית, כלומר אנחנו לא חייבים לחכות שאחד יצא בשביל לתת לאחד אחר להיכנס. אנו עוקבים אחר מסלולי היציאה של אותם חומרים, והסטטיסטיקה בה הם יוצאים מהרשת נותנת לנו את התשובה לשאלה ששאלנו. כמובן, כמו בכל דבר ביולוגי ופיזי - יש שגיאות והתנהגויות לא רצויות, ולפעמים יחידות העיבוד נעות במסלולים אסורים וממילא גם מתקבלות יציאות לא תקינות. לשם כך אנו מבצעים גם ניתוח סטטיסטי וסימולציות סטוכסטיות. כך למרות שיש אחוז שגיאה מסוים בתנועה בתוך הרשת, לפי כמות מסוימת של סוכנים שיוצאים מהיציאות אנחנו יכולים לומר בוודאות אם תשובה מסוימת היא נכונה או לא".

המחקר של הקבוצה כולל כרגע מספר מעגלים שעליהם נעשה האימות הפורמלי. בחודש מאי הקרוב כלי האימות והסימולציות שלו יוצגו בכנס ISCAS (under IEEE). בשלב זה, המעגלים מקודדים ביחד – כלומר נותנים מענה אך ורק לשאלה ספציפית. בהמשך, מספרת אלוף-מדינה, השאיפה היא לייצר מעגלים גמישים יותר ומודולריים, שיוכלו לחשב, עם שינויים קטנים, בעיות שונות. "כרגע עוד מוקדם לדבר על שימושים אפליקטיביים, אבל בעתיד, המחקר הזה יוכל אולי להתממשק עם אפליקציות רפואיות. באופן כללי, העניין בטכנולוגיה הזו בעולם הולך וגובר. יש קבוצת חוקרים גדולה ביפן, למשל, שלקחה את הרעיונות ומימשה אותם באמצעות לייזרים ופוטונים, וגם לנו יש שיתופי פעולה מעניינים שהולכים ומתקדמים. בשורה התחתונה, יש לנו פה בעצם מחשב ביולוגי. אם נצליח לזרז את זמן החישוב, בגלל המקביליות והחיסכון באנרגיה - אולי בעתיד הוא יוכל להתממשק גם עם מחשבים רגילים".