Η ανθρώπινη βιολογία είναι πολύ πιο ενεργειακά αποδοτική σε σύγκριση με την τεχνολογία υπολογιστών του σήμερα. Οι σύγχρονοι υπολογιστές είναι ένα επίτευγμα της τεχνολογίας. Ένα μόνο τσιπ υπολογιστή περιέχει δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε νανοκλίμακα που λειτουργούν εξαιρετικά αξιόπιστα και με ταχύτητες εκατομμυρίων λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο.
Ωστόσο, αυτή η υψηλή ταχύτητα και αξιοπιστία έρχονται με το κόστος της σημαντικής κατανάλωσης ενέργειας: τα κέντρα δεδομένων και οι ηλεκτρονικές συσκευές όπως οι υπολογιστές και τα smartphones αντιπροσωπεύουν περίπου το 3% της παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας και η χρήση της τεχνητής νοημοσύνης αναμένεται να αυξήσει ακόμη περισσότερο την κατανάλωση.
Περιορισμός του Landauer και ηλεκτρονικοί υπολογιστές
Τι θα γινόταν, όμως, αν μπορούσαμε να ανασχεδιάσουμε τον τρόπο λειτουργίας των υπολογιστών, έτσι ώστε να εκτελούν υπολογιστικές εργασίες όσο γρήγορα και σήμερα, χρησιμοποιώντας πολύ λιγότερη ενέργεια; Εδώ η φύση μπορεί να μας προσφέρει κάποιες πιθανές λύσεις.
Ο επιστήμονας της IBM, Rolf Landauer, έθεσε το 1961 το ερώτημα αν χρειάζεται να δαπανάμε τόση ενέργεια για τις υπολογιστικές εργασίες. Κατέληξε στον «περιορισμό του Landauer», ο οποίος αναφέρει ότι μια υπολογιστική εργασία – όπως για παράδειγμα η ρύθμιση ενός bit (η μικρότερη μονάδα πληροφορίας υπολογιστή) σε μηδέν ή ένα – πρέπει να καταναλώνει περίπου 10⁻²¹ τζάουλ (J) ενέργειας.
Η σχέση ενέργειας και ταχύτητας
Αυτό είναι ένα πολύ μικρό ποσό ενέργειας, παρά τα δισεκατομμύρια εργασιών που εκτελούν οι υπολογιστές. Αν οι υπολογιστές μπορούσαν να λειτουργούν σε τέτοιες συνθήκες, η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για υπολογισμούς και η διαχείριση της θερμότητας μέσω συστημάτων ψύξης δε θα ήταν πια πρόβλημα.
Ωστόσο, υπάρχει ένα εμπόδιο. Για να εκτελέσει κάποιος μια λειτουργία bit κοντά στον περιορισμό του Landauer, πρέπει να την εκτελέσει πολύ αργά. Οι υπολογισμοί σε οποιοδήποτε περιορισμένο χρονικό διάστημα αναμένεται να απαιτούν επιπλέον ενέργεια, η οποία εξαρτάται από την ταχύτητα εκτέλεσης των υπολογισμών. Με άλλα λόγια, όσο πιο γρήγορος ο υπολογιστής, τόσο περισσότερη ενέργεια καταναλώνει.
Βιολογικοί υπολογιστές: Προς λύση του προβλήματος
Μια λύση μπορεί να είναι ο σχεδιασμός υπολογιστών με θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο. Ο λόγος που οι παραδοσιακοί υπολογιστές λειτουργούν με τόσο γρήγορο ρυθμό είναι ότι λειτουργούν σειριακά, εκτελώντας μία εργασία κάθε φορά. Αν μπορούσαμε, αντίθετα, να χρησιμοποιήσουμε έναν πολύ μεγάλο αριθμό «υπολογιστών» που δουλεύουν παράλληλα, τότε κάθε ένας από αυτούς θα μπορούσε να εργάζεται πιο αργά.
Η δύναμη των βιολογικών υπολογιστών
Η υπολογιστική ισχύς μέσω βιολογικών πρωτεϊνών μπορεί να προσφέρει εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τα ηλεκτρονικά τσιπ.
Αυτή η υπολογιστική αρχιτεκτονική είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την επίλυση υπολογιστικών προβλημάτων, τα οποία απαιτούν πολλές λύσεις, όπως η προγραμματισμένη εργασία, η οποία είναι υπολογιστικά απαιτητική για σειριακούς υπολογιστές.
Αν και σήμερα μόνο μικροί βιολογικοί υπολογιστές έχουν κατασκευαστεί για να αποδείξουν την ιδέα, υπάρχει η δυνατότητα να επεκταθεί αυτός ο τύπος υπολογιστών με τη χρήση τρέχουσας τεχνολογίας ημιαγωγών και να προσφέρει μια εντυπωσιακή αναβάθμιση στην ενεργειακή αποδοτικότητα των υπολογιστών.