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1、第六代計算機 生物計算機 生物計算機是什么？ 生物計算機也稱仿生計算機 ， 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替代半導(dǎo)體硅 片 ， 利用有機化合物存儲數(shù)據(jù) 。 生物計算機的廬山真面目 生物計算機的簡介 生物計算機是以核酸分子作為 “ 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算機模型 。 生物計 算的早期構(gòu)想始于 1959年 ， 諾貝爾獎獲得者 Feynman提出 利用分子尺度研制計算機； 20世紀(jì) 70年代以來 ， 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 信息的變化 。 2007年提出的并行型 DNA計
2、算模型 ， 將具有 61個頂點的一個 3-色圖的所有 48個 3-著色全部求解出來 ， 其算法復(fù)雜度為 ， 而此搜索次數(shù) ， 即使是當(dāng)今最快的超級電子計算機 ， 也需 要 13 217年方能完成 ， 該結(jié)果似乎預(yù)示著生物計算機時代 即將來臨 。 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 路高五個數(shù)量級 。 可以讓讓幾萬億個 DNA分子在某種酶的作 用下進行化學(xué)反應(yīng)就能使生物計算機同時運行幾十億次 。 生 物 芯 片 生 物 計 算 機 的 重 要 組 成
3、部 分 生物計算機的優(yōu)點 1983年美國提出了生物計算機的概念 。 此后 ， 各個發(fā)達國 家開始研制生物計算機 。 生物學(xué)家將仿生學(xué)運用到生物計 算機領(lǐng)域 ， 產(chǎn)生了生物化學(xué)分子構(gòu)架生物計算機的觀點 。 生物計算機目前仍舊處于蓬勃興起階段 ， 國內(nèi)外正在積極 地研制新型生物芯片 。 盡管生物計算機尚未有取得重大顛 覆性的進展 ， 甚至部分學(xué)者提出生物計算機目前出現(xiàn)的一 系列缺點 ， 例如遺傳物質(zhì)的生物計算機受外界環(huán)境因素的 干擾 、 計算結(jié)果無法檢測 、 生物化學(xué)反應(yīng)無法保證成功率 等 ， 此外 ， 以蛋白質(zhì)分子為主的芯片上很難運行文本編輯 器 。 但這些并不影響生物計算機這個存在巨大誘惑的領(lǐng)
4、域 的快速發(fā)展 ， 隨著人類技術(shù)的不斷進步 ， 這些問題終究會 被解決 ， 生物計算機商業(yè)化繁榮將到來 。 生物計算機的五大優(yōu)點 1. 體積小 ,功效高 2. 生物計算機的芯片永久性與可靠性 3. 生物計算機的存儲與并行處理 4. 無發(fā)熱與信號干擾 5. 數(shù)據(jù)錯誤率 優(yōu)點一 體積小 ,功效高 生物計算機的面積上可容納數(shù)億個電路 ,比目前的電子計 算機提高了上百倍 。 同時 ， 生物計算機 ， 已經(jīng)不再具有 計算機的形狀 ， 可以隱藏在桌角 、 墻壁或地板等地方 ， 同時發(fā)熱和電磁干擾都大大降低 。 圖中的生物計算機與人的手指差不多大 優(yōu)點二 生物計算機的芯片永久性與可靠性 生物計算機具有永久性
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) 。 （ 這是生物計算機極其誘人的潛在優(yōu)勢 ） 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 算機擁有生物特性 。 生物計算機不再像電子計算機那樣 ， 芯片損壞后無法自動修復(fù) ， 生物計算機能夠發(fā)揮生物調(diào)節(jié) 機能 ， 自動修復(fù)受損芯片 。 因此 ， 生物計算機可靠性非常 高 ， 不易損壞 ， 即使芯片發(fā)生故障 ， 也可以自動修復(fù) 。 因 此 ， 生物計算機芯片具有一定的永久性 。 優(yōu)點三 生物計算機的存儲與并行處理 生物計算機在存儲方面與傳統(tǒng)電子學(xué)計算機相比具有巨大優(yōu)勢
6、。 一克 DNA存儲 信息量可與一萬億張 CD相當(dāng) ， 存儲密度是通常使用磁盤存儲器的 1000億到 10000億倍 。 生物計算機還具有超強的并行處理能力 ， 通過一個狹小區(qū)域的生 物化學(xué)反應(yīng)可以實現(xiàn)邏輯運算 ， 數(shù)百億個 DNA分子構(gòu)成大批 DNA計算機并行操 作 。 尤其是生物神經(jīng)計算機 ， 具備很好的并行式分布式存儲記憶 ， 廣義容錯 能力 。 在處理玻爾茲曼自動機模型和一些非數(shù)值型問題時表現(xiàn)出巨大潛力 。 真正擺 .脫馮諾依曼模型 ， 真正實現(xiàn)智能 。 生物計算機傳輸數(shù)據(jù)與通訊過程簡單 ， 其并行處理能力可與超級電子計算機 媲美 ， 通過 DNA分子堿基不同的排列次序作為計算機的原始
7、數(shù)據(jù) ， 對應(yīng)的酶通 過生物化學(xué)變化對 DNA堿基進行基本操作 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)電子學(xué)計算機的各種功能 。 生物計算機中含有大量遺傳物質(zhì)工具 ， 能夠同時進行上百萬次計算 。 傳統(tǒng)電 子計算機是以電流速度逐個檢驗所有可能的解決方案 ， 生物計算機同時處理 各分子庫中的所有分子 ， 無需按照次序分析可能的答案 。 電子計算機相當(dāng)于 有一串鑰匙 ， 一次用一把鑰匙開鎖 ， 生物計算機在開鎖時一次用幾百萬把鑰 匙 ， 其計算速度也將比現(xiàn)有超級計算機快 100萬倍 。 生物計算機運算次數(shù)可高 達每秒或更高 ， 進一步研制并結(jié)合其它高新技術(shù) ， 生物計算機具有廣闊前景 。 優(yōu)點四 無發(fā)熱與信號干擾 生物計算
8、機的元件是由有機分子組 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 像電子計算機那樣 ， 工作一段時間 后 ， 機體會發(fā)熱 ， 而生物計算機的 電路間也沒有信號干擾 。 優(yōu)點五 數(shù)據(jù)錯誤率 DNA鏈的另一個重要性質(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 。 每個 DNA序列有一個互補序列 。 這種互補性是生物計算機具備獨特優(yōu)勢 。 如果錯誤發(fā)生在 DNA某一雙螺旋序列中 ， 修改酶能夠參考互補序列對錯誤進 行修復(fù) 。 雙螺旋結(jié)構(gòu)相當(dāng)于計算機硬盤 RAID1陣列 ， 一塊硬 盤位另一塊硬盤的鏡像 ，
9、 當(dāng)?shù)谝粔K硬盤破壞時 ， 可通過第 二塊硬盤進行數(shù)據(jù)修復(fù) 。 生物計算機自身具備修改錯誤特 性 ， 因此 ， 生物計算機數(shù)據(jù)錯誤率較低 。 生物計算機的缺點 生物計算機作為即將完善的新一代計算機 ， 其優(yōu)點是十 分明顯的 。 但它也有自身難以克服的缺點 。 其中最主要 的便是從中提取信息困難 。 一種生物計算機 24小時就完 成了人類迄今全部的計算量 ， 但從中提取一個信息卻花 費了 1周 。 這也是目前生物計算機沒有普及的最主要原因 。 生物計算機種類 生物分子或超分子芯片 自動機模型 仿生算法 生物化學(xué)反應(yīng)算法 細(xì)胞計算機 研究方向 生物計算機是人類期望在 21世紀(jì)完成的偉大工程 。 是計算 機世界中最年輕的分支 。 目前的研究方向大致是兩個：一 是研制分子計算機 ， 即制造有機分子元件去代替目前的半 導(dǎo)體邏輯元件和存儲元件；另一方面是深入研究人腦的結(jié) 構(gòu) 、 思維規(guī)律 ， 再構(gòu)想生物計算機的結(jié)構(gòu) 。
代計算機-生物計算機
