導(dǎo)論期末論文——淺談生物計算機(福建工程學(xué)院)

1、福建工程學(xué)院導(dǎo)論學(xué)科期末論文題 目：淺談生物計算機學(xué) 生：梁*指導(dǎo)老師：陳慶強講師系 別：信息科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè)：計算機類班 級：計算機*學(xué) 號：*2013年12月21日目錄：摘要21現(xiàn)代計算機的發(fā)展瓶頸32生物計算機的由來及發(fā)展歷程33生物計算機的優(yōu)點44生物計算機的缺點45生物計算機擁有人工智能56生物計算機的現(xiàn)狀67結(jié)束語68致謝69附錄178摘要生物計算機又稱仿生計算機，是以生物芯片取代在半導(dǎo)體硅片上集成數(shù)以萬計的晶體管制成的計算機。它的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。生物計算機芯片本身還具有并行處理的功能，其運算速度要比當(dāng)今最新一代的計算機快10萬倍，

2、能量消耗僅相當(dāng)于普通計算機的十億分之一，存儲信息的空間僅占百億億分之一。生物計算機的研究是理論計算機領(lǐng)域的一個重要分支，生物計算機的核心思想是用生化反應(yīng)來模擬計算操作。依托生物分子尤其是DNA分子的大規(guī)模并行。目前幾乎所有的生物計算機都是在體外進(jìn)行的。體外計算機的優(yōu)點是設(shè)計簡單和易于實現(xiàn)；缺點是需要人工操作或設(shè)備的輔助，否則計算機的自動性無法的到實現(xiàn)，這樣的計算不但麻煩，而且沒有用生物體的自我調(diào)控機制來對計算進(jìn)行控制，只是將生物分子作為數(shù)據(jù)載體和操作工具的計算機，如DNA計算機。如果能將計算置于生物體內(nèi),就可以利用生物自動性對計算進(jìn)行控制。體內(nèi)計算機的設(shè)計遠(yuǎn)比體外計算機要復(fù)雜,這不僅因為對生物

3、體的體內(nèi)環(huán)境知識的匾乏和對生物自身調(diào)控機制的不甚了解,而且也是對將計算植入生物體內(nèi)所造成的對生物的影響估計不足。關(guān)鍵字：生物計算機，DNA計算機，高速，低能耗，仿生計算機。1現(xiàn)代計算機的發(fā)展瓶頸當(dāng)今社會，MOS管制作技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到原子級，下一步應(yīng)該是朝那個方向發(fā)展已經(jīng)成為未知。加之現(xiàn)在的芯片制造技術(shù)，22納米、甚至18納米都已經(jīng)開始投產(chǎn)，已然很接近分子固有大小，再進(jìn)一步就要受到分子、原子本身大小的制約。因為電子漂移太嚴(yán)重，如今的CPU主頻已經(jīng)不可能有太大的提升。晶體管的密度已近當(dāng)前所用技術(shù)的理論極限。而另外一方面，隨著主頻的提升所帶來的高功耗和發(fā)展緩慢的電能儲存技術(shù)已成為大矛盾。另外，計算機的

4、處理速度在將來的某一天也勢必受到電能的限制。這種現(xiàn)狀，導(dǎo)致計算機的處理速度受到嚴(yán)重的限制，已然成為當(dāng)今社會計算機發(fā)展最大的瓶頸，要想繼續(xù)發(fā)展，要么克服原子本身大小這個瓶頸，例如處于理論階段的量子計算機。要么，就要尋找新的計算機結(jié)構(gòu)， 借鑒生物界的各種處理問題的方式，即所謂生物算法。也就是接下來要談到的生物計算機。 2生物計算機的由來及發(fā)展歷程人們驚嘆于錢鐘書先生超凡的記憶力。據(jù)說有人從圖書館隨便翻出什么古典文集來，錢鐘書都能準(zhǔn)確無誤地復(fù)述其內(nèi)容。20世紀(jì)的人，只能為之興嘆，稱之為天才；但是，生活在21世紀(jì)的人們就有可能與錢鐘書在記憶力上一試高低。這種可能性來自即將成為21世紀(jì)人類生活新伙伴的生

5、物計算機。目前以集成電路為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計算機已經(jīng)快要發(fā)展到極限。計算機發(fā)展遵循的“摩爾定律”（每18個月芯片速度翻一番，價格降低一半）已經(jīng)失效。生物技術(shù)與計算機技術(shù)聯(lián)姻的生物計算機成為計算機發(fā)展的一個新的突破口。生物計算機就是利用生物分子代替硅，實現(xiàn)更大規(guī)模的高度集成。20 世紀(jì) 80 年代, 美國、日本、前蘇聯(lián)等國家開始著手研制第六代計算機即生物計算機。早在 20 世紀(jì)70 年代, 人們就發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA) 處于不同狀態(tài)時可以代表“有信息”或“無信息”。于是, 科學(xué)家設(shè)想: 假若有機物的分子也具有這種“開”和“關(guān)”的功能, 那豈不可以把它們作為計算機的基本構(gòu)件, 從而造出“有機物計算機

6、”嗎? 后來有科學(xué)家發(fā)現(xiàn), 一些半醌類有機化合物的分子具備“開”和“關(guān)”2 種電態(tài)功能, 可以把它當(dāng)成一個開關(guān)?？茖W(xué)家們還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)分子中的氫也具備“開”和“關(guān)”2 種電態(tài)功能,因而也可以把一個蛋白質(zhì)分子當(dāng)成一個開關(guān)。這一系列發(fā)現(xiàn)激起了科學(xué)家們研制生物電子元件的靈感, 相繼有一些簡單的生物元件問世, 如生物開關(guān)元件、生物記憶元件等。從理論上說, 只要是用半醌類有機化合物的分子或蛋白質(zhì)的分子作元件, 就能制造出“半醌型”或“蛋白質(zhì)型”的計算機。由于有機物分子總是存在于生物體內(nèi), 所以人們把這種有機物計算機稱作“生物計算機”或“分子計算機”。目前, 生物計算機僅處于起步階段, 不論如何，生

7、物計算機的提出拓寬了人們的視野, 啟發(fā)人們用算法的觀念研究生命, 并向眾多領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。要想真正進(jìn)入實用階段還需要更多的時間和科學(xué)家更多的艱辛探索。但是, 生物計算機可能要改變計算機的未來, 在病理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域?qū)l(fā)揮極為重要的作用。生物計算機是以生物界處理問題的方式為模型的計算機。目前主要有: 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)算法等幾種類型。3生物計算機的優(yōu)點生物計算機是人類在對計算形式多樣化探索道路上的額一個分支，與傳統(tǒng)的電子計算機，同樣處于理論研究階段的量子計算機等具有與眾不同的優(yōu)點。密集度高由于 DNA 生物電子元件比硅芯片上的電子元件要小很

8、多, 而且生物芯片本身具有天然獨特的立體化結(jié)構(gòu), 其密度要比平面型硅集成電路高 5 個數(shù)量級, 因此具有巨大的存儲能力。如體積為 1 m3的液體生物計算機, 存儲的信息比世界上所有計算機存儲的信息總和還要多, 而分子集成電路的密集度可以達(dá)到現(xiàn)有半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路的 10萬倍。在一平方毫米的面積上，可容納幾億個電路，比目前的集成電路小得多，用它制成的計算機，已經(jīng)不像現(xiàn)在計算機的形狀了，可以隱藏在桌角、墻壁或地板等地方。速度快分子邏輯元件的開關(guān)速度比目前的硅半導(dǎo)體邏輯元件開關(guān)速度高出 1 000 倍以上。如果讓幾萬億個 DNA 分子在某種酶的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng), 就能使生物計算機同時運行幾十億

9、次, 這就意味著運算速度要比當(dāng)今最新一代超級計算機快十萬倍, 能量消耗僅相當(dāng)于普通計算機的十億分之一。可靠性高當(dāng)我們在運動中，不小心碰傷了身體，有的上點兒藥；有的年輕人甚至藥都不上，過幾天，傷口就愈合了。這是因為人體具有自我修復(fù)功能。同樣，由生物分子構(gòu)成的分子集成電路( 生物芯片) 也同一般的生物體一樣, 具有“自我修復(fù)”的機能, 也就是說, 即便這種芯片出了點故障也無關(guān)大局, 它能夠慢慢地自動復(fù)過來, 達(dá)到“自我修復(fù)”。所以, 這種生物計算機的可靠性非常高, 經(jīng)久耐用, 有“半永久性”。這對于目前的電子計算機來說, 簡直是一件不可思議的事情。仿生機制由于蛋白質(zhì)分子能夠自我組合, 再生新的微型

10、電路, 使得生物計算機具有生物體的一些特點,比如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機能, 自動修復(fù)芯片發(fā)生的故障, 還能模仿人腦的思考機制。低功耗和抗干擾生物計算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，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。小結(jié)生物計算機一旦研制成功，可能會在計算機領(lǐng)域內(nèi)引起一場劃時代的革命。生物計算機是以生物界處理問題的方式為模型的計算機。4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。

11、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大量推廣的最主要原因。5生物計算機擁有人工智能衡量計算機水平的主要指標(biāo)是運算速度和存儲量。據(jù)有關(guān)分析測算，如果生物計算機研制成功，其運算速度將是目前傳統(tǒng)計算機根本無法比擬的，它幾十小時的運算量就相當(dāng)于目前全球所有計算機運算量的總和。生物計算機的存儲量也將大得驚人。科學(xué)家采用有機的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的生物芯片代替由無機材料制作的硅芯片，其大小僅為現(xiàn)在所用的硅芯片的十萬分之一，而集成度卻極大地提高，如用血紅素制成的生物芯片，1mm2能容納10億個"門"電路，其開關(guān)速度達(dá)到10

12、5s。此外生物芯片具備的低阻抗、低能耗的性質(zhì)使他們擺脫了傳統(tǒng)半導(dǎo)體元件散熱的困擾，從而克服了長期以來集成電路制作工藝復(fù)雜、電路因故障發(fā)熱熔化以及能量消耗大等弊端，給計算機的進(jìn)一步發(fā)展開拓了廣闊的前景。更令人驚異的是，生物計算機的元件密度比人的神經(jīng)密度還要高100萬倍，而且其傳遞信息的速度也比人腦進(jìn)行思維的速度快100萬倍。它既快捷，又準(zhǔn)確，可以直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴(kuò)充部分，它能以從人體細(xì)胞吸收營養(yǎng)的方式來補充能量，而不需要外界的任何其他能量。 生物計算機具有較高的人工智能，它可以徹底實現(xiàn)現(xiàn)有計算機所無法真正實現(xiàn)的模糊推理功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算功能，能夠如同人腦那樣進(jìn)行思維、推理，能

13、認(rèn)識文字、圖形，能理解人的語言，因而可以承擔(dān)各種工作，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航、工業(yè)控制領(lǐng)域和國防軍事領(lǐng)域，發(fā)揮它無比重要的作用。 不過，研究人員認(rèn)為，由成千上萬個原子組成的生物大分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很容易失活、變質(zhì)和受損；加之，目前生物計算還存在一些運行上的障礙，如：大規(guī)模操作的困難、非特異性吸附及復(fù)制過程出現(xiàn)錯誤的容錯能力較差等問題。因此，生物計算機的發(fā)展可能還需要經(jīng)過一個較漫長的過程。6生物計算機的現(xiàn)狀生物計算機的設(shè)計是一項復(fù)雜和長期的研究，目前該研究處于起步階段，尤其是硬件設(shè)計，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論模型研究。1983年，美國公布了研制生物計算機的設(shè)想之后，立即激起了發(fā)達(dá)國家的研制熱潮。當(dāng)前，美國、

14、日本、德國和俄羅斯的科學(xué)家正在積極開展生物芯片的開發(fā)研究。從1984年開始，日本每年用于研制生物計算機的科研投資為86億日元。目前，生物芯片仍處于研制階段，但在生物元件，特別是在生物傳感器的研制方面已取得不少實際成果。這將會促使計算機、電子工程和生物工程這三個學(xué)科的專家通力合作，加快研究開發(fā)生物芯片。7結(jié)束語計算機工業(yè)在近幾十年內(nèi)飛速發(fā)展，其速度令人瞠目。然而目前晶體管的密度已近當(dāng)前所用技術(shù)的理論極限，我們勢必要找到一個新的突破來得以實現(xiàn)下一代計算機人工智能。而生物計算機具有內(nèi)存大，體積小，計算速度快等特點，且生物計算機與人工智能直接相關(guān)聯(lián)。所以，發(fā)展生物計算機乃大勢所趨。8致謝感謝陳慶強老師辛苦的教導(dǎo)，讓我對計算機知識的有了大致的了解，對計算機相關(guān)技術(shù)也有了初步的感受，更重要的是，也對計算機相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。文獻(xiàn)參考1中國工業(yè)生物技術(shù)信息網(wǎng),生物芯片:未來應(yīng)用如同電腦芯片E.2劉助仁，未來生物計算機探索J,1988.3王敏，引人矚目的生物計算機J,開發(fā)經(jīng)驗，19944許進(jìn)，DNA分子生物計算機與運籌學(xué)發(fā)展的心機遇D,2000.5曹來發(fā)，國內(nèi)外芯片技術(shù)發(fā)展?fàn)顩rJ,科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，文章編號：1005-6033（2002）02-01