24116

COM2 665

كارشناسي ارشد

مهندسي كامپيوتر- معماري سيستم هاي كامپيوتري

مهندسي كامپيوتر

1403/06/26

71 ص.

زهره بيكي

محاسبات مبتني بر دي ان اي , گيت XOR , مدار تمام جمع كننده , طراحي در سطح گيت

محاسبات دي‌ان‌اي (DNA Computing) حوزه‌اي از محاسبات جديد است كه از مولكول‌هاي دي‌ان‌اي به‌عنوان واسطه ي محاسبات استفاده مي‌كند. اين حوزه براي اولين بار در سال 1994 توسط لئونارد آدلمن، استاد دانشگاه كاليفرنياي جنوبي، مطرح شد. آدلمن نشان داد كه دي‌ان‌اي مي‌تواند براي حل مسائل رياضي پيچيده استفاده شود. لئونارد آدلمن از دي‌ان‌اي براي حل مسئله ي مسير هميلتوني استفاده كردكه نشان داد دي‌ان‌اي مي‌تواند به‌عنوان يك وسيله ي محاسباتي عمل كند. محققان مختلف مانند ريچارد ليپتون و اريك وينفري تكنيك‌هاي آدلمن را گسترش دادند و نشان دادند كه دي‌ان‌اي مي‌تواند براي حل مسائل ان پي كامل نيز استفاده شود. سپس پژوهشگران موفق به توسعه‌ي روش‌هايي براي استفاده از واكنش‌هاي آنزيمي و ساير فرآيندهاي زيست‌ شيميايي براي انجام محاسبات پيچيده‌تر شده و با تركيب فناوري‌هاي نانو و محاسبات زيستي، مدارهاي منطقي ساده‌ي مبتني بر دي ان اي طراحي كردند. همچنين با پيشرفت در فناوري‌ روش‌هاي ويرايش ژنوم، امكان انجام محاسبات دقيق‌تر و پيچيده‌تر فراهم شد. كاربردهاي محاسبات دي ان اي بسيار متنوع است از جمله در زمينه ي پزشكي كه استفاده از محاسبات دي‌ان‌اي براي تشخيص و درمان بيماري‌ها بسيار سودمند است. هم چنين استفاده از دي‌ان‌اي براي رمزنگاري اطلاعات به دليل امنيت بالا و پيچيدگي فرايندهاي رمزگشايي كاربردي است وحتي امكان ذخيره‌سازي حجم عظيمي از داده‌ها در دي‌ان‌اي به‌دليل تراكم بالا وجود دارد. با اين همه در محاسبات دي ان اي با چالش‌هايي از جمله نگهداري و پردازش دي‌ان‌اي در محيط‌هاي كنترل‌شده و هزينه‌هاي بالاي تجهيزات و مواد اوليه مواجه هستيم. با توجه به پيشرفت‌هاي مداوم در بيوتكنولوژي و نانوتكنولوژي، محاسبات دي‌ان‌اي پتانسيل زيادي براي تغيير بنيادين روش‌هاي محاسباتي و كاربردهاي آن‌ها دارد. محدوديت افزايش ترانزيستورها در مدارات سيليكوني به دليل برخورد به ديواره ي توان باعث شد طراحي گيت‌هاي مبتني بر دي ان اي اهميت بيشتري يابد. ما در اين پروژه جهت برداشتن گامي در خصوص رفع مشكلات مدارات سيليكوني و پيشرفت محاسبات مبتني بر دي ان اي، به طراحي گيت XOR با استفاده از رشته‌هاي دي ان اي و به كارگيري آن در مدار تمام جمع كننده جهت غلبه بر چالش نبود گيت معكوس كننده و به كارگيري آن در محاسبات منطقي و امور پزشكي پرداختيم. اين مدار به گونه اي طراحي شد كه در مقايسه با مدارات قبلي، با كاهش رشته‌ها، پيچيدگي كمتري داشته باشد و در عوض سرعت، دقت و قابليت اطمينان مدار افزايش يابد.

DNA-based computing , XOR gate , Full-adder circuit , Gate-level design

DNA based full adder design with the aim of reducing strands

مهندسي معماري كامپيوتر

DNA computing is a field of new computing that uses DNA molecules as a medium for computing. This field was first proposed in 1994 by Leonard Adelman, a professor at the University of Southern California. Adelman showed that DNA can be used to solve complex mathematical problems. Leonard Adelman used DNA to solve the Hamiltonian path problem, which showed that DNA could act as a computational tool. Various researchers such as Richard Lipton and Eric Winfrey extended Adelmanʹs techniques and showed that DNA can also be used to solve NP-complete problems. Then the researchers managed to develop methods to use enzymatic reactions and other biochemical processes to perform more complex calculations and by combining nano technologies and biological calculations, they designed simple logic circuits based on DNA. Also, with the advancement in the technology of genome editing methods, it became possible to perform more accurate and complex calculations. The applications of DNA calculations are very diverse, including in the field of medicine, where the use of DNA calculations is very beneficial for the diagnosis and treatment of diseases. Also, the use of DNA to encrypt information is practical due to its high security and the complexity of decoding processes, and it is even possible to store a huge amount of data in DNA due to its high density. However, in DNA calculations, we face challenges such as maintaining and processing DNA in controlled environments and high costs of equipment and raw materials. Due to continuous advances in biotechnology and nanotechnology, DNA computing has a great potential to fundamentally change computing methods and their applications. Limiting the increase of transistors in silicon circuits due to hitting the power wall made the design of DNA-based gates more important. In this project, in order to take a step in solving the problems of silicon circuits and advancing DNA-based calculations, we designed an XOR gate using DNA strings and applied it in the full adder circuit to overcome the challenge of not having an inverse gate. We paid. This circuit was designed in such a way that, compared to the previous circuits, by reducing the strings, it has less complexity and instead increases the speed, accuracy and reliability of the circuit.

5