计算机科学前沿讲座.docx

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计算机科学前沿讲座

计算机科学前沿讲座

——生物计算机

一、什么是生物计算机

1.什么是生物计算机

1）传统计算机的瓶颈

摩尔定律是指IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。

一旦芯片上线条的宽度达到纳米（10-9米）数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作。

目前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管。

再增加是很困难的，必须想别的出路。

图1可植入生物计算机

图2

图3

2）生物计算机的可能性

　　蝙蝠用超声波来定向，人可制造一台这样的超声定向仪，其体积却要比蝙蝠大上许多倍。

生物体的这种高效能和超小型使科学家获得启发：

能否也用有机物来制造计算机呢？

　　电子计算机最基本的构件是开关元件，正是这千百万只开关组成的电路显现出各种奇妙的功能。

电子计算机也恰与“关”和“开”相对应。

　　早在20世纪70年代，人们就发现脱氧核糖核酸（DNA）处于不同状态时可以代表“有信息”或“无信息”。

于是，科学家设想：

假若有机物的分子也具有这种“开”和“关”的功能，那岂不可以把它们作为计算机的基本构件，从而造出“有机物计算机”吗?

后来有科学家发现，一些半醒类有机化合物的分子具备“开”和“关”2种电态功能，可以把它当成一个开关。

科学家们还进一步发现，蛋白质分子中的氢也具备“开”和“关”2种电态功能，因而也可以把一个蛋白质分子当成一个开关。

这一系列发现激起了科学家们研制生物电子元件的灵感。

3）有机分子的优点

　　由于有机分子构成的生物化学元件的特殊性，从而使有机计算机具有三大显著优点：

　　①体积小，功效高。

以分子水平的线路为目标的生物化学元件其大小可能达到几百埃，1平方毫米的面积上可容数亿个电路，比目前的电子计算机提高了上百倍。

　　②使生物本身固有的自我修复机能得到发挥，这样即使芯片出了故障也能自我修复，所以有机计算机具有半永久性，可靠性很高。

　　③从根本上说来，由有机分子构成的生物化学元件是利用化学反应工作的，所以只需很少能量就可工作，不存在发热问题。

有机计算机目前也正处于研制阶段，它一旦制造成功，将使现有的一切电子计算机大为逊色。

图4

4）生物计算机

　　生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。

它利用蛋白质有开关的特性，用蛋白质分子作元件从而制成的生物芯片。

其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。

用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通计算机的十亿倍。

由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一。

而且运行速度更快，只有10-11秒，大大超过人脑的思维速度。

图5

　　5）DNA计算机

　　科学家研究发现，脱氧核糖核酸（DNA）有一种特性，能够携带生物体的大量基因物质。

从中得到启迪，正在合作研究制造未来的液体DNA电脑。

DNA电脑的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将发生过程进行分子编码，把二进制数翻译成遗传密码的片段，每一个片段就是著名的双螺旋的一个链，然后对问题以新的DNA编码形式加以解答。

图6

2.生物计算机的优点

　　1）首先是密集度高。

由于DNA生物电子元件比硅芯片上的电子元件要小很多，而且生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型硅集成电路高5个数量级，因此具有巨大的存储能力。

如体积为1m3的液体生物计算机，存储的信息比世界上所有计算机存储的信息总和还要多，而分子集成电路的密集度可以达到现有半导体超大规模集成电路的10万倍。

　　2）其次是速度快。

分子逻辑元件的开关速度比目前的硅半导体逻辑元件开关速度高出1000倍以上。

如果让几万亿个DNA分子在某种酶的作用下进行化学反应，就能使生物计算机同时运行几十亿次，这就意味着运算速度要比当今最新一代超级计算机快十万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。

　　3）再次是可靠性高。

由生物分子构成的分子集成电路（生物芯片）也同一般的生物体一样，具有“自我修复”的机能，也就是说，即便这种芯片出了点故障也无关大局，它能够慢慢地自动恢复过来，达到“自我修复”。

所以，这种生物计算机的可靠性非常高，经久耐用，具有“半永久性”。

这对于目前的电子计算机来说，简直是一件不可思议的事情。

4）此外是拟人性。

生物计算机的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，生物计算机具有生物活性，能够和人体的组织有机地结合起来，尤其是能够与大脑和神经系统相连。

这样，生物计算机就可直接接受大脑的综合指挥，成为人脑的辅助装置或扩充部分，并能由人体细胞吸收营养补充能量，因而不需要外界能源。

它将成为能植入人体内，成为帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。

另外，由于生物芯片内流动电子间碰撞的可能极小，几乎不存在电阻，所以生物计算机的能耗极小。

由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，比如能模仿人脑的思考机制。

　　5）最后是自修复性。

科学家们预言，生物芯片一旦出现故障，可以进行自我修复，所以有自愈能力。

同时，可以直接接受人脑指挥，成为人脑的外延或扩充部分，它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量。

二、生物计算机原理

1.DNA的结构

　　DNA计算机利用DNA分子保存信息。

DNA分子是由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四种核苷酸（碱基）组成的序列，不同的序列可用来表示不同的信息。

n位二进制数的每一位数的“0”和“1”可用不同的DNA序列表示，大量序列在一起时，可同时产生2n个数。

通过一系列适当的生化反应，可得出表示结果的DNA分子。

2.DNA的结构

正像一串二进制数据用“0”和“1”编码一样，一串DNA用4个用字母A、T、C和G代表的脱氧核糖核酸基盐编码。

在DNA分子上的脱氧核糖核酸基盐（也叫核苷酸）之间的间隙为0.35纳米，从而使DNA具有了每英寸近18Mbits的不同寻常的数据密度。

在两维空间中，如果假设每平方纳米有一个核苷酸的话，数据密度超过每平方英寸1百万Gbits。

与数据密度约为每平方英寸7Gbits的典型高性能硬盘相比，DNA数据密度超过它10万倍以上。

DNA的另一个重要属性是其双链性质。

核苷酸A、T、C和G可以粘合在一起，形成核苷酸对。

因此每个DNA序列都具有一个天然的补序列。

例如，如果序列S为ATTACGTCG，那么其补序列S'为TAATGCAGC。

S和S'将混合在一起（或杂交）形成双链DNA。

3.DNA的并行操作

在细胞中，DNA由不同的酶以生物化学方式进行修改。

酶是微小的蛋白质，它按照大自然的设计，读取和处理DNA。

这类在分子级上处理DNA的“运行的”蛋白质的种类和数量都非常多。

例如，既有切断DNA的酶，又有将它们再粘在一起的酶。

一些酶发挥复印机的作用，另一些酶承担修理工的职责。

　分子生物学、生物化学和生物工艺学开发出了使我们能够在试管中完成这些细胞功能的许多功能的技术。

正是这种细胞组织以及一些合成化学品，构成了一套可用于计算的操作。

正像CPU一样，DNA也具有切断、复制、粘贴、修理以及其它许多操作。

　需要注意的是，在试管中，酶并不是顺序地工作，一次处理一个DNA，而是酶的很多副本同时处理许多的DNA分子。

这正是DNA计算的威力所在：

可以以大规模并行方式运行。

4.与硅计算机的比较

　　在VonNeumann架构计算机中，指令是顺序执行的。

　　在细菌中，DNA可以以每秒大约500对核苷酸的速度进行复制。

从生物学角度看，速度相当快（比人类细胞快9倍），而且考虑到低错误率，这是个很了不起的成就。

但是，这只是1000bps，与一般硬盘的数据吞吐量相比，等于是蜗牛爬。

但是，复制酶甚至在完成复制第一个DNA串之前，就可以开始复制第二个DNA串。

因此，数据速度猛增到了2000bps。

DNA串的数量指数级增加（n次迭代后数量为2n）。

每增加一串DNA，数据速率就增加1000bps。

因此在10次迭代后，DNA的复制速度约为1Mbps，30次迭代后，增加到1000Gbps。

这超过了最快速硬盘的持续数据速率。

图7

三、阿德勒曼生物计算机实验

　　1994年，美国南加州大学教授雷纳德·阿德勒曼（L.Adleman）博士，在《科学》杂志上发表一篇题为《组合问题的生物电脑解决方案》的论文，首次提出分子计算机，即用DNA分子构建电脑的设想。

阿德勒曼竟然利用他发明的DNA生物电脑，解决了一个实际的数学难题。

这个题目是这样的：

“由14条单行道连接着7座城市，请找出走过上述全部城市的最近路途，而且不能走回头路。

”

图8

阿德勒曼教授设法驱使试管中的DNA分子来完成计算，他用DNA单链代表每座城市及城市之间的道路，并顺序编码。

这样一来，每条道路“粘性的两端”就会根据DNA组合的化学规则，与两座正确的城市相连。

　　然后，他在试管中把这些DNA链的几十亿个副本混合起来，让它们以无数种可能的组合连接在一起。

其基本工作原理是：

单条DNA以预定的方式和与之对应的DNA相配接。

　　通过7天时间的系列生化反应，DNA电脑自动找出了解决问题的唯一答案，即只经过每座城市一次且顺序最短的DNA分子链。

这就是说，用生物学方法模拟的逻辑运算，用一个星期时间完成了电脑几年才能完成的工作，表明了用DNA技术处理高难度数学问题的巨大潜力。

四、生物计算机的发展

　　从1946年世界第一台电子计算机问世，已有60多年的历史，在这60多年中，计算机技术确得到突飞猛进的发展。

　　20世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸（DNA）处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。

联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的通导或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等等，科学家们激发了研制生物元件的灵感。

这项研究中最著名的代表就是美国著名的生物化学家、国际电子分子生物风险学会主席詹姆士·麦卡里尔博士，他不仅是生物分子电子学的创始人之一，而且他带领一个6人小组在华盛顿近郊的一座普通楼房里，进行着生物芯片和生物计算机的开拓性研究。

1982年，在法国秀丽的阿尔卑斯山上举行了首届生物计算机国际会议。

　　1983年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了发达国家的研制热潮。

　　1994年11月美国《科学》杂志首先公布了DNA计算机的理论。

　　2000年1月，威斯康星大学的科学家在《自然》杂志上发表研究报告指出，他们已经发现了一种利用附着在镀金物体表面的DNA分子链完成简单计算的方法。

　　2000年普林斯顿大学生物学家劳拉·兰德韦伯领导的另一个研究小组报告了一种利用核糖核酸（RNA，DNA的一种化学同类物）完成类似计算的方法。

　　2001年11月，以色列科学家已经成功研制出世界上第一台可编程DNA电脑，这种电脑即使有一万亿“台”，其体积也不超过一滴水的大小。

　　2000年3月17日美国威斯康星大学的研究人员最近制造出一台生物计算机。

它由大约100万亿个人工合成的DNA链状结构组成，能进行一些相对复杂的运算。

1999年6月2日美国佐治亚理工学院科学家最近宣布借助活的蚂蟥神经细胞初步制成了一台生物计算机，该计算机能进行简单的加法运算。

它主要利用了蚂蟥神经细胞的自我组织功能来进行信息处理，而不是像普通电子计算机那样通过预编程序的办法。

　　他们用微型电极对置于培养皿中的蚂蟥神经细胞进行了电刺激，这些细胞在受刺激后会互相“通信”。

然后让每个神经细胞代表特定的整数，并将各神经细胞相连，最终该生物计算机成功地得出各数字相加的正