DNA Strand Displacement (DSD) as a hardware substrate for digital, analog and machine learning systems

Abstract

Houve um tempo em que a evolução tecnológica de sistemas computacionais era constante e célere. A alta velocidade no desenvolvimento de novas técnicas de miniaturização significava que métodos de fabricação menores e mais eficientes ficavam disponíveis após alguns meses de pesquisa e eram empregados no desenvolvimento de novos circuitos integrados. Embora isso fosse verdade nas últimas décadas, este cenário mudou recentemente devido aos limites impostos pela física. Cada nova geração de dispositivos enfrenta novos desafios de miniaturização dos transistores, principalmente por causa do consumo de energia e dissipação de calor devido à natureza da física quântica nesta escala. À medida que a inteligência artificial se torna mais prevalente devido à necessidade de processar uma enorme quantidade de dados rapidamente em paralelo, o hardware será um gargalo. Várias soluções para este problema de hardware estão sendo propostas e testadas. Algumas delas envolvem o uso de novos paradigmas para construir sistemas computacionais além do silício, tais como o uso de luz ou moléculas orgânicas como substrato para realizar a computação. Uma das alternativas é usar o DNA como hardware "úmido" como um complemento aos computadores tradicionais de silício, acelerando alguns cálculos específicos in vitro ou in vivo. As capacidades de processamento massivamente paralelo e baixo consumo de energia do DNA o tornam a alternativa perfeita para a implementação de novas aplicações biológicas, que vão desde o diagnóstico de doenças a novos medicamentos para o tratamento de várias doenças. Esta tese propõe que a tecnologia de deslocamento de fitas de DNA (DNA Strand Displacement, DSD) é passível de ser utilizada como um substrado de hardware para desenvolvimento de circuitos moleculares modulares digitais, analógicos e de aprendizado de máquina. Assim, para atingir este objetivo, esta tese apresentará a contribuição de novas ferramentas de Computer Aided Design (CAD) desenvolvidas que amparam a modularização, composição, projeto, simulação e validação dos circuitos moleculares baseados em DSD.