计算机发展的未来展望——生物计算机

李宗育

山西太原市第十二中李宗育030024

摘要：如今仿生学运用于机械设备中已不再罕见，生命与机器的结合给予人们灵感，创造了很多作品。相比较而言，仿生学在计算机中的运用则少很多。科学家们往往将这种生命与计算机结合而成的新设备称为生物计算机或者DNA计算机。与传统电子计算机的本质区别在于，生物计算机并不依靠电流来传递信号，而是通过生物体内的材料——主要包括脱氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）和蛋白质分子这三种材料来进行信号传递。人体的细胞也主要由上述三种生物体材料构成。

关键词：生物计算机；DNA存储器；仿生学；生物芯片

一、前言

生物计算机也称仿生计算机，主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。信息以波的形式传播，当波沿着蛋白质分子链传播时，会引起蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的变化。运算速度要比当今最新一代计算机快10万倍，它具有很强的抗电磁干扰能力，并能彻底消除电路间的干扰。能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，且具有巨大的存储能力。生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能，自动修复芯片上发生的故障，还能模仿人脑的机制等。

二、生物计算机原理与组成

生物计算机是以核酸分子作为“数据”，以生物酶及生物操作作为信息处理工具的一种新颖的计算机模型。生物计算的早期构想始于1959年，诺贝尔奖获得者Feynman提出利用分子尺度研制计算机；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。科学家们发现生物元件可以实现逻辑电路中的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。经过特殊培养后制成的生物芯片可作为一种新型高速计算机的集成电路。1994年，图灵奖获得者Adleman提出基于生化反应机理的DNA计算模型；在生物计算机方面突破性工作是北京大学在2007年提出的并行型DNA计算模型，将具有61个顶点的一个3-色图的所有48个3-着色全部求解出来，其算法复杂度为，而此搜索次数，即使是当今最快的超级电子计算机，也需要13217年方能完成，该结果似乎预示着生物计算机时代即将来临。

其主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。生物芯片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，其密度要比平面型的硅集成电路高五个数量级。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。生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机更快。生物芯片一旦出现故障，可以进行自我修复，所以具有自愈能力。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。生物计算机有很多优点，主要表现在以下几个方面：体积小,功效高，生物计算机的面积上可容纳数亿个电路,比目前的电子计算机提高了上百倍；生物计算机的芯片永久性与可靠性，若能使生物本身的修复机制得到发挥，则即使芯片出了故障也能自我修复。因此，生物计算机可靠性非常高，不易损坏，即使芯片发生故障，也可以自动修复。因此，生物计算机芯片具有一定的永久性；生物计算机的存储与并行处理，生物计算机在存储方面与传统电子学计算机相比具有巨大优势。一克DNA存储信息量可与一万亿张CD相当，存储密度是通常使用磁盘存储器的1000亿到10000亿倍。生物计算机还具有超强的并行处理能力，通过一个狭小区域的生物化学反应可以实现逻辑运算，数百亿个DNA分子构成大批DNA计算机并行操作。尤其是生物神经计算机，具备很好的并行式分布式存储记忆，广义容错能力。在处理玻尔兹曼自动机模型和一些非数值型问题时表现出巨大潜力。真正摆.脱冯诺依曼模型，真正实现智能。

三、生物计算机数据传输与通讯

生物计算机传输数据与通讯过程简单，其并行处理能力可与超级电子计算机媲美，通过DNA分子碱基不同的排列次序作为计算机的原始数据，对应的酶通过生物化学变化对DNA碱基进行基本操作，能够实现电子学计算机的各种功能。

生物计算机中含有大量遗传物质工具，能够同时进行上百万次计算。传统电子计算机是以电流速度逐个检验所有可能的解决方案，生物计算机同时处理各分子库中的所有分子，无需按照次序分析可能的答案。电子计算机相当于有一串钥匙，一次用一把钥匙开锁，生物计算机在开锁时一次用几百万把钥匙，其计算速度也将比现有超级计算机快100万倍。生物计算机运算次数可高达每秒或更高，进一步研制并结合其它高新技术，生物计算机具有广阔前景。

四、生物计算机特点

发热与信号干扰。生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以；只需要很少的能量就可以工作了，因此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而生物计算机的电路间也没有信号干扰。

数据错误率。DNA链的另一个重要性质是双螺旋结构，A碱基与T碱基、C碱基与G碱基形成碱基对。每个DNA序列有一个互补序列。这种互补性是生物计算机具备独特优势。如果错误发生在DNA某一双螺旋序列中，修改酶能够参考互补序列对错误进行修复。双螺旋结构相当于计算机硬盘RAID1阵列，一块硬盘位另一块硬盘的镜像，当第一块硬盘破坏时，可通过第二块硬盘进行数据修复。生物计算机自身具备修改错误特性，因此，生物计算机数据错误率较低。

生物计算机是人类期望在21世纪完成的伟大工程。是计算机世界中最年轻的分支。目前的研究方向大致是两个：一是研制分子计算机，即制造有机分子元件去代替目前的半导体逻辑元件和存储元件；另一方面是深入研究人脑的结构、思维规律，再构想生物计算机的结构。

生物计算机的另一个显着特点就是存储量极大。单个细菌细胞大小只有1立方微米左右，却能容纳超过1M字节的DNA存储器。2016年3月，加拿大麦基尔大学（McGillUniversity）的科学家DanNicolau与所在团队研发了一款生物超级计算机模型，它不仅和一般的电子超级计算机一样快速且精准地处理信息，而且体积只有一本书大小。