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1、第六代計(jì)算機(jī) 生物計(jì)算機(jī) 生物計(jì)算機(jī)是什么？ 生物計(jì)算機(jī)也稱仿生計(jì)算機(jī) ， 主要原材料是生物工程技術(shù) 產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子 ， 并以此作為生物芯片來(lái)替代半導(dǎo)體硅 片 ， 利用有機(jī)化合物存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 。 生物計(jì)算機(jī)的廬山真面目 生物計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)介 生物計(jì)算機(jī)是以核酸分子作為 “ 數(shù)據(jù) ” ， 以生物酶及生物 操作作為信息處理工具的一種新穎的計(jì)算機(jī)模型 。 生物計(jì) 算的早期構(gòu)想始于 1959年 ， 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Feynman提出 利用分子尺度研制計(jì)算機(jī)； 20世紀(jì) 70年代以來(lái) ， 人們發(fā)現(xiàn) 脫氧核糖核酸 (DNA)處在不同的狀態(tài)下 ， 可產(chǎn)生有信息和無(wú) 信息的變化 。 2007年提出的并行型 DNA計(jì)
2、算模型 ， 將具有 61個(gè)頂點(diǎn)的一個(gè) 3-色圖的所有 48個(gè) 3-著色全部求解出來(lái) ， 其算法復(fù)雜度為 ， 而此搜索次數(shù) ， 即使是當(dāng)今最快的超級(jí)電子計(jì)算機(jī) ， 也需 要 13 217年方能完成 ， 該結(jié)果似乎預(yù)示著生物計(jì)算機(jī)時(shí)代 即將來(lái)臨 。 生物芯片 生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子 ， 作為生物芯片 。 生物芯 片比硅芯片上的電子元件要小很多 ， 而且生物芯片本身具 有天然獨(dú)特的立體化結(jié)構(gòu) ， 其密度要比平面型的硅集成電 路高五個(gè)數(shù)量級(jí) 。 可以讓讓幾萬(wàn)億個(gè) DNA分子在某種酶的作 用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)就能使生物計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行幾十億次 。 生 物 芯 片 生 物 計(jì) 算 機(jī) 的 重 要 組 成
3、部 分 生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 1983年美國(guó)提出了生物計(jì)算機(jī)的概念 。 此后 ， 各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó) 家開(kāi)始研制生物計(jì)算機(jī) 。 生物學(xué)家將仿生學(xué)運(yùn)用到生物計(jì) 算機(jī)領(lǐng)域 ， 產(chǎn)生了生物化學(xué)分子構(gòu)架生物計(jì)算機(jī)的觀點(diǎn) 。 生物計(jì)算機(jī)目前仍舊處于蓬勃興起階段 ， 國(guó)內(nèi)外正在積極 地研制新型生物芯片 。 盡管生物計(jì)算機(jī)尚未有取得重大顛 覆性的進(jìn)展 ， 甚至部分學(xué)者提出生物計(jì)算機(jī)目前出現(xiàn)的一 系列缺點(diǎn) ， 例如遺傳物質(zhì)的生物計(jì)算機(jī)受外界環(huán)境因素的 干擾 、 計(jì)算結(jié)果無(wú)法檢測(cè) 、 生物化學(xué)反應(yīng)無(wú)法保證成功率 等 ， 此外 ， 以蛋白質(zhì)分子為主的芯片上很難運(yùn)行文本編輯 器 。 但這些并不影響生物計(jì)算機(jī)這個(gè)存在巨大誘惑的領(lǐng)
4、域 的快速發(fā)展 ， 隨著人類技術(shù)的不斷進(jìn)步 ， 這些問(wèn)題終究會(huì) 被解決 ， 生物計(jì)算機(jī)商業(yè)化繁榮將到來(lái) 。 生物計(jì)算機(jī)的五大優(yōu)點(diǎn) 1. 體積小 ,功效高 2. 生物計(jì)算機(jī)的芯片永久性與可靠性 3. 生物計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與并行處理 4. 無(wú)發(fā)熱與信號(hào)干擾 5. 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率 優(yōu)點(diǎn)一 體積小 ,功效高 生物計(jì)算機(jī)的面積上可容納數(shù)億個(gè)電路 ,比目前的電子計(jì) 算機(jī)提高了上百倍 。 同時(shí) ， 生物計(jì)算機(jī) ， 已經(jīng)不再具有 計(jì)算機(jī)的形狀 ， 可以隱藏在桌角 、 墻壁或地板等地方 ， 同時(shí)發(fā)熱和電磁干擾都大大降低 。 圖中的生物計(jì)算機(jī)與人的手指差不多大 優(yōu)點(diǎn)二 生物計(jì)算機(jī)的芯片永久性與可靠性 生物計(jì)算機(jī)具有永久性
5、和很高的可靠性 。 若能使生物本身 的修復(fù)機(jī)制得到發(fā)揮 ， 則即使芯片出了故障也能自我修復(fù) 。 （ 這是生物計(jì)算機(jī)極其誘人的潛在優(yōu)勢(shì) ） 蛋白質(zhì)分子可以 自我組合 ， 能夠新生出微型電路 ， 具有活性 ， 因此生物計(jì) 算機(jī)擁有生物特性 。 生物計(jì)算機(jī)不再像電子計(jì)算機(jī)那樣 ， 芯片損壞后無(wú)法自動(dòng)修復(fù) ， 生物計(jì)算機(jī)能夠發(fā)揮生物調(diào)節(jié) 機(jī)能 ， 自動(dòng)修復(fù)受損芯片 。 因此 ， 生物計(jì)算機(jī)可靠性非常 高 ， 不易損壞 ， 即使芯片發(fā)生故障 ， 也可以自動(dòng)修復(fù) 。 因 此 ， 生物計(jì)算機(jī)芯片具有一定的永久性 。 優(yōu)點(diǎn)三 生物計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與并行處理 生物計(jì)算機(jī)在存儲(chǔ)方面與傳統(tǒng)電子學(xué)計(jì)算機(jī)相比具有巨大優(yōu)勢(shì)
6、。 一克 DNA存儲(chǔ) 信息量可與一萬(wàn)億張 CD相當(dāng) ， 存儲(chǔ)密度是通常使用磁盤(pán)存儲(chǔ)器的 1000億到 10000億倍 。 生物計(jì)算機(jī)還具有超強(qiáng)的并行處理能力 ， 通過(guò)一個(gè)狹小區(qū)域的生 物化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算 ， 數(shù)百億個(gè) DNA分子構(gòu)成大批 DNA計(jì)算機(jī)并行操 作 。 尤其是生物神經(jīng)計(jì)算機(jī) ， 具備很好的并行式分布式存儲(chǔ)記憶 ， 廣義容錯(cuò) 能力 。 在處理玻爾茲曼自動(dòng)機(jī)模型和一些非數(shù)值型問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出巨大潛力 。 真正擺 .脫馮諾依曼模型 ， 真正實(shí)現(xiàn)智能 。 生物計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)與通訊過(guò)程簡(jiǎn)單 ， 其并行處理能力可與超級(jí)電子計(jì)算機(jī) 媲美 ， 通過(guò) DNA分子堿基不同的排列次序作為計(jì)算機(jī)的原始
7、數(shù)據(jù) ， 對(duì)應(yīng)的酶通 過(guò)生物化學(xué)變化對(duì) DNA堿基進(jìn)行基本操作 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)電子學(xué)計(jì)算機(jī)的各種功能 。 生物計(jì)算機(jī)中含有大量遺傳物質(zhì)工具 ， 能夠同時(shí)進(jìn)行上百萬(wàn)次計(jì)算 。 傳統(tǒng)電 子計(jì)算機(jī)是以電流速度逐個(gè)檢驗(yàn)所有可能的解決方案 ， 生物計(jì)算機(jī)同時(shí)處理 各分子庫(kù)中的所有分子 ， 無(wú)需按照次序分析可能的答案 。 電子計(jì)算機(jī)相當(dāng)于 有一串鑰匙 ， 一次用一把鑰匙開(kāi)鎖 ， 生物計(jì)算機(jī)在開(kāi)鎖時(shí)一次用幾百萬(wàn)把鑰 匙 ， 其計(jì)算速度也將比現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)快 100萬(wàn)倍 。 生物計(jì)算機(jī)運(yùn)算次數(shù)可高 達(dá)每秒或更高 ， 進(jìn)一步研制并結(jié)合其它高新技術(shù) ， 生物計(jì)算機(jī)具有廣闊前景 。 優(yōu)點(diǎn)四 無(wú)發(fā)熱與信號(hào)干擾 生物計(jì)算
8、機(jī)的元件是由有機(jī)分子組 成的生物化學(xué)元件 ， 它們是利用化 學(xué)反應(yīng)工作的 ， 所以；只需要很少 的能量就可以工作了 ， 因此 ， 不會(huì) 像電子計(jì)算機(jī)那樣 ， 工作一段時(shí)間 后 ， 機(jī)體會(huì)發(fā)熱 ， 而生物計(jì)算機(jī)的 電路間也沒(méi)有信號(hào)干擾 。 優(yōu)點(diǎn)五 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率 DNA鏈的另一個(gè)重要性質(zhì)是雙螺旋結(jié)構(gòu) ， A堿基與 T堿基 、 C 堿基與 G堿基形成堿基對(duì) 。 每個(gè) DNA序列有一個(gè)互補(bǔ)序列 。 這種互補(bǔ)性是生物計(jì)算機(jī)具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì) 。 如果錯(cuò)誤發(fā)生在 DNA某一雙螺旋序列中 ， 修改酶能夠參考互補(bǔ)序列對(duì)錯(cuò)誤進(jìn) 行修復(fù) 。 雙螺旋結(jié)構(gòu)相當(dāng)于計(jì)算機(jī)硬盤(pán) RAID1陣列 ， 一塊硬 盤(pán)位另一塊硬盤(pán)的鏡像 ，
9、 當(dāng)?shù)谝粔K硬盤(pán)破壞時(shí) ， 可通過(guò)第 二塊硬盤(pán)進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù) 。 生物計(jì)算機(jī)自身具備修改錯(cuò)誤特 性 ， 因此 ， 生物計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率較低 。 生物計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn) 生物計(jì)算機(jī)作為即將完善的新一代計(jì)算機(jī) ， 其優(yōu)點(diǎn)是十 分明顯的 。 但它也有自身難以克服的缺點(diǎn) 。 其中最主要 的便是從中提取信息困難 。 一種生物計(jì)算機(jī) 24小時(shí)就完 成了人類迄今全部的計(jì)算量 ， 但從中提取一個(gè)信息卻花 費(fèi)了 1周 。 這也是目前生物計(jì)算機(jī)沒(méi)有普及的最主要原因 。 生物計(jì)算機(jī)種類 生物分子或超分子芯片 自動(dòng)機(jī)模型 仿生算法 生物化學(xué)反應(yīng)算法 細(xì)胞計(jì)算機(jī) 研究方向 生物計(jì)算機(jī)是人類期望在 21世紀(jì)完成的偉大工程 。 是計(jì)算 機(jī)世界中最年輕的分支 。 目前的研究方向大致是兩個(gè)：一 是研制分子計(jì)算機(jī) ， 即制造有機(jī)分子元件去代替目前的半 導(dǎo)體邏輯元件和存儲(chǔ)元件；另一方面是深入研究人腦的結(jié) 構(gòu) 、 思維規(guī)律 ， 再構(gòu)想生物計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 。
代計(jì)算機(jī)-生物計(jì)算機(jī)
