如今，无论是生活还是工作，都离不开电脑的帮助。然而，随着大数据时代的到来，当前电子计算的并行计算速度和存储容量都面临着发展瓶颈，科学家们开始寻找新的计算媒介。 近日，美国加州理工学院的科学家们开发出一种广泛可编程的DNA计算机，有望完成多项计算任务。相关成果发表在期刊《自然》。 那么，DNA计算机的原理是什么？它与传统电子计算机相比有什么优势？科技日报记者带着这些问题采访了相关专家。 电子芯片的发展遇到物理极限 在介绍“大神”DNA计算机之前，首先要说说它的“前身”——电子计算机。 虽然计算机可以为我们解决很多难题，但对于一些数学难题，它们也束手无策。比如哈密尔顿路径问题，即假设有多个城市，计算机必须规划出一条不重复地通过每个城市的最短路线。当城市数量少的时候，计算机或许可以在短时间内给出答案，但当城市数量达到100个时，计算机就会“不堪重负”，可能需要数百年的时间才能找到这条路线. 在生活中，我们可能很少遇到这种“烧脑”的问题，但在大数据时代，由于数据存储的激增，大规模的计算任务也会随之增加。 “如今，传统电子计算机的计算能力正在逐渐接近‘天花板’，可能无法满足未来巨大的计算需求。”厦门大学信息科学与技术学院教授刘向荣表示，为了提高计算机的运算速度，其内部电路芯片的集成度会越来越高，其上的晶体管芯片会变得更密集。目前管道之间的距离约为10纳米，如果距离小于1纳米，就会出现问题。例如，电子在运动过程中会穿过晶体管的管壁，“混乱”，无法再形成稳定有序的电路，导致无法正常计算。 “根据摩尔定律，集成电路上可以容纳的元件数量每18到24个月就会翻一番。”刘向荣说。 但是，随着芯片技术的不断发展，摩尔定律逐渐遇到了物理定律的局限性。目前晶体管的体积已经达到纳米级，进一步缩小的可能性越来越小，摩尔定律预测的发展轨迹似乎难以为继。 因此，一些科学家开始寻找具有更强大功能的下一代计算机，以突破当前电子计算机的瓶颈。 利用生化反应在液体中进行计算 科学家们将目光投向了生物学领域，他们正在寻找“替补队员”。 1994年，图灵奖获得者、美国科学家阿德拉曼提出了基于生化反应机制的DNA计算模型，打开了DNA计算的大门。 DNA，脱氧核糖核酸，是一种具有双螺旋结构的有机化合物。那么，染色体中的DNA是如何执行计算任务的呢？ “DNA计算是一种新型的分子生物学计算方法，它以DNA和相关的生物酶为基本材料，利用一定的生化反应进行计算。”北京大学信息科学与技术学院副研究员张成在接受科技日报记者采访时表示，其主要利用了DNA分子特有的双螺旋结构和碱基互补原理。配对计算。 具体计算步骤如下：首先，工作人员对要解决的问题进行编码，即将操作对象编码成一条DNA分子链（单链或双链）；其次，将编码后的DNA分子链混合到生物酶溶液中，生成各种数据池；然后在生物酶的作用下，将问题求解过程按一定规律映射为DNA分子链的可控生化反应过程；最终计算结果。 “与电子计算的运算不同，DNA计算是‘湿实验’，即大部分计算是在液体中进行的。”张成告诉科技日报记者，在DNA计算环境下，要想读取数据，不需要像电子计算机那样方便，看一眼电子屏幕就可以了，但需要获得通过凝胶电泳、荧光成像、原子力显微镜、透射电子显微镜等生物分子检测技术计算结果。 存储能力和计算能力远超传统方法 张成介绍，DNA计算的优势在于它的高并行性，即每条DNA单链都可以看作是一个计算设备，其内部海量链可以看做是一个“机房”，相当于上百台电脑同时进行计算。 这种高并行度大大提高了计算速度。例如，要在亿万人群中找到一个拿着钉子的人，传统的电子计算机往往要一个一个筛选，直到找到目标；而DNA计算模式可以同时并行检测1018人，其计算速度相当可观。“高并行性赋予DNA计算进行大规模计算的能力，可用于特殊用途的计算。”刘向荣说。 北京大学信息科学与技术学院徐进教授曾撰文称，一台DNA计算机一周的计算量可能相当于自问世以来所有电子计算机的总计算量 ”DNA分子除了具有高并行度外，还具有海量的存储能力，这是DNA计算的另一个优势。张诚指出，信息时代的数据量呈指数级增长，电子计算机芯片等元器件的集成能力越来越接近瓶颈，亟需开发新型存储介质。 DNA作为信息的载体，有着巨大的存储容量。1cubicmeterofDNAsolutioncanstore1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000.一个领域。微软研究院计划2020年将DNA存储系统投入数据中心使用，华为战略研究院也将DNA存储纳入未来研发计划。 此外，徐进还提到，DNA计算机所消耗的能量仅为电子计算机完成相同计算任务所消耗能量的十亿分之一。 DNA计算技术可能需要20年才能落地。 “在信息技术领域，基于DNA计算强大的计算能力，有望应用于密码破译或超大规模信息处理等业务。”刘向荣说，之所以现有的密码系统安全可靠，不是不能破译，而是破译时间太长，可能要几百年。DNA计算有望将同一密码的破译时间缩短到几天，甚至更短，届时现有的密码系统可能会“崩溃”。 据北京理工大学计算机学院副教授闫怀志介绍，生物医学也将是DNA计算的主要应用场景之一。电子技术和生物技术的应用，使计算机与人脑的结合成为可能。可以想象，利用DNA计算技术，甚至可以将人工生物芯片直接植入人体或细胞内，运行计算机程序。燕怀志说道。 “利用DNA计算技术，科学家可以在细胞内植入DNA纳米机器人和分子电路，完成对细胞功能的调控。例如，北京大学相关团队构建的多种DNA分子回路，可以特异性识别某些肿瘤标志物，从而实现快速诊断。”张成说。 “此外，得益于DNA分子链本身的微小、可折叠性和高稳定性，近年来DNA分子存储技术受到了广泛关注。”张诚指出，科学家们已经将莎士比亚的诗歌、卢马丁的杜尔金的演讲等信息通过分子编码成功地以DNA的形式存储起来。DNA硬盘可能很快就会问世。 同时，专家们也表示，目前，DNA计算技术的落地还面临诸多挑战。 “DNA计算结果的信号往往是微小的、微量的DNA单分子，如何增强这种纳米级信号或提高单分子检测技术的能力，需要我们进一步努力。”刘向荣指出。 新技术只有走出实验室，才能实现其价值，造福大众。张诚坦言，目前，由于DNA计算技术相关研究还处于前沿基础研究范畴，市场资本介入程度还不够。“因此，我们迫切需要加强相关的应用研究，以引起市场的关注。”张诚说道。 “目前，DNA计算技术真正落地还有很长的路要走，可能需要20年。”刘向荣猜测道。
