关于生物计算机原理及前景的探究

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1、关于生物计算机原理及前景的探究A君周一B君周一C君周一摘要:生物计算机(biologicalcomputer)又称仿生计算机(bioniccomputer)。是继第五代人工智能计算机以来的可以模拟人脑思维、低耗、高效的第六代计算机。以生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万计的晶体管制成的计算机。涉及计算机科学、脑科学、神经生物学、分子生物学、生物物理、生物工程、电子工程、物理学和化学等有关学科。关键词:生物计算机,基因,蛋白质,生物芯片前言电子计算机是2O世纪最重大的科技成就之一。自l946年世界上第一台电子

2、计算机“埃尼阿克”诞生以来,计算机科学技术得到了惊人的发展.已经经历了第一代电子管计算机、第二代晶体管计算机、第三代集成电路计算机、第四代大规模集成电路计算机的更新。截止到1985年,出现了第五代人工智能计算机——神经计算机[1]。其特点是可以实现分布式联想记忆,并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能。但作为计算机核心元件的集成电路的制造工艺的硅技术越来越接近其物理极限。电子计算机的处理速度的提升与高集成度的微型化发展,主要归功于微处理器的革新和硬件性价比的提高.取决于微细技术的发展,”简单”的摩尔定律所预

3、测的晶体管密度每一个单位时间就会翻一番的结论有其固有的限制,就像一张纸受限于其物理特性不可能永远不停的对折一样,晶体管的密度也不可能无限制的增长,总会遇到某一物理极限。[2]权威人士认为,尽管还有许多困难,但是,电子计算机在速度与集成度上还会有所发展,不过其微型化的趋势已近极限。如果再小下去,已经超越了微电子技术理论的宏观极限。在处理一些复杂的科研所遇到的大量数据时.现有的计算机的运算速度和能力显得无能为力了。因此,2O世纪8O年代以来,生物工程学家对人脑、神经元和感受器的研究倾注了很大精力,以期研制出可以

4、模拟人脑思维、低耗、高效的第六代计算机——生物计算机。[3]1生物计算机的基本原理早在2O世纪7O年代,人们就发现脱氧核糖核酸(DNA)处于不同状态时可以代表“有信息”或“无信息”。于是,科学家设想:假若有机物的分子也具有这种“开”和“关”的功能,那岂不可以把它们作为计算机的基本构件,从而造出“有机物计算机”吗?后来有科学家发现.一些半醌类有机化合物的分子具备“开”和“关”62种电态功能,可以把它当成一个开关。科学家们还进一步发现,蛋白质分子中的氢也具备“开”和“关”2种电态功能.因而也可以把一个蛋白质分子

5、当成一个开关。这一系列发现激起了科学家们研制生物电子元件的灵感,相继有一些简单的生物元件问世,如生物开关元件、生物记忆元件等从理论上说,只要是用半醌类有机化合物的分子或蛋白质的分子作元件,就能制造出“半醌型”或“蛋白质型”的计算机。由于有机物分子总是存在于生物体内,所以人们把这种有机物计算机称作“生物计算机”或“分子计算机”。由有机物分子作为开关元件而构成的生物计算机,具有几个方面的突出优点。首先是密集度高。由于DNA生物电子元件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

6、要比平面型硅集成电路高5个数量级,因此具有巨大的存储能力。如体积为lm的液体生物计算机,存储的信息比世界上所有计算机存储的信息总和还要多.[4]而分子集成电路的密集度可以达到现有半导体超大规模集成电路的1O万倍。其次是速度快。分子逻辑元件的开关速度比目前的硅半导体逻辑元件开关速度高出1000倍以上。如果让几万亿个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.这就意味着运算速度要比当今最新一代超级计算机快十万倍,能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。此外,它的可靠性高。由生物分子

7、构成的分子集成电路(生物芯片)也同一般的生物体一样,具有“自我修复”的机能,也就是说,即便这种芯片出了点故障也无关大局,它能够慢慢地自动恢复过来,达到“自我修复”。所以,这种生物计算机的可靠性非常高.经久耐用,具有“半永久性”。2生物计算机的各种特性2.1生物计算机的基本层次结构由使用的角度出发并遵循系统层次性原则,分子生物计算机可以设计为3层结构。生物技术操作层由对生物分子及生物分子链的操作(如复性、变性、切割、连接、PCR复制、电泳、读序列等)组成。生物算法控制层实现对生物技术操作层的有序操作,该层的用

8、户是分子生物学的专家,他们可以根据计算意图,直接用生物技术设计分子计算步骤。应用层的用户不需要任何分子生物学的知识,他们可以用类似自然语言的应用语言把计算目的告诉分子生物计算机。使用这种层次结构,用户要解决的问题要想得到解答,必须从他所使用的层开始逐级变换直至底层进行解释。[5]如果从设计角度出发,用户所要解决的问题必须通过逐级变换直到生物技术操作层才能得到解答。因此,应用层与生物算法控制层之间至少需要翻译器,生

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1、关于生物计算机原理及前景的探究A君周一B君周一C君周一摘要:生物计算机(biologicalcomputer)又称仿生计算机(bioniccomputer)。是继第五代人工智能计算机以来的可以模拟人脑思维、低耗、高效的第六代计算机。以生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万计的晶体管制成的计算机。涉及计算机科学、脑科学、神经生物学、分子生物学、生物物理、生物工程、电子工程、物理学和化学等有关学科。关键词:生物计算机,基因,蛋白质,生物芯片前言电子计算机是2O世纪最重大的科技成就之一。自l946年世界上第一台电子

2、计算机“埃尼阿克”诞生以来,计算机科学技术得到了惊人的发展.已经经历了第一代电子管计算机、第二代晶体管计算机、第三代集成电路计算机、第四代大规模集成电路计算机的更新。截止到1985年,出现了第五代人工智能计算机——神经计算机[1]。其特点是可以实现分布式联想记忆,并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能。但作为计算机核心元件的集成电路的制造工艺的硅技术越来越接近其物理极限。电子计算机的处理速度的提升与高集成度的微型化发展,主要归功于微处理器的革新和硬件性价比的提高.取决于微细技术的发展,”简单”的摩尔定律所预

3、测的晶体管密度每一个单位时间就会翻一番的结论有其固有的限制,就像一张纸受限于其物理特性不可能永远不停的对折一样,晶体管的密度也不可能无限制的增长,总会遇到某一物理极限。[2]权威人士认为,尽管还有许多困难,但是,电子计算机在速度与集成度上还会有所发展,不过其微型化的趋势已近极限。如果再小下去,已经超越了微电子技术理论的宏观极限。在处理一些复杂的科研所遇到的大量数据时.现有的计算机的运算速度和能力显得无能为力了。因此,2O世纪8O年代以来,生物工程学家对人脑、神经元和感受器的研究倾注了很大精力,以期研制出可以

4、模拟人脑思维、低耗、高效的第六代计算机——生物计算机。[3]1生物计算机的基本原理早在2O世纪7O年代,人们就发现脱氧核糖核酸(DNA)处于不同状态时可以代表“有信息”或“无信息”。于是,科学家设想:假若有机物的分子也具有这种“开”和“关”的功能,那岂不可以把它们作为计算机的基本构件,从而造出“有机物计算机”吗?后来有科学家发现.一些半醌类有机化合物的分子具备“开”和“关”62种电态功能,可以把它当成一个开关。科学家们还进一步发现,蛋白质分子中的氢也具备“开”和“关”2种电态功能.因而也可以把一个蛋白质分子

5、当成一个开关。这一系列发现激起了科学家们研制生物电子元件的灵感,相继有一些简单的生物元件问世,如生物开关元件、生物记忆元件等从理论上说,只要是用半醌类有机化合物的分子或蛋白质的分子作元件,就能制造出“半醌型”或“蛋白质型”的计算机。由于有机物分子总是存在于生物体内,所以人们把这种有机物计算机称作“生物计算机”或“分子计算机”。由有机物分子作为开关元件而构成的生物计算机,具有几个方面的突出优点。首先是密集度高。由于DNA生物电子元件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

6、要比平面型硅集成电路高5个数量级,因此具有巨大的存储能力。如体积为lm的液体生物计算机,存储的信息比世界上所有计算机存储的信息总和还要多.[4]而分子集成电路的密集度可以达到现有半导体超大规模集成电路的1O万倍。其次是速度快。分子逻辑元件的开关速度比目前的硅半导体逻辑元件开关速度高出1000倍以上。如果让几万亿个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.这就意味着运算速度要比当今最新一代超级计算机快十万倍,能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。此外,它的可靠性高。由生物分子

7、构成的分子集成电路(生物芯片)也同一般的生物体一样,具有“自我修复”的机能,也就是说,即便这种芯片出了点故障也无关大局,它能够慢慢地自动恢复过来,达到“自我修复”。所以,这种生物计算机的可靠性非常高.经久耐用,具有“半永久性”。2生物计算机的各种特性2.1生物计算机的基本层次结构由使用的角度出发并遵循系统层次性原则,分子生物计算机可以设计为3层结构。生物技术操作层由对生物分子及生物分子链的操作(如复性、变性、切割、连接、PCR复制、电泳、读序列等)组成。生物算法控制层实现对生物技术操作层的有序操作,该层的用

8、户是分子生物学的专家,他们可以根据计算意图,直接用生物技术设计分子计算步骤。应用层的用户不需要任何分子生物学的知识,他们可以用类似自然语言的应用语言把计算目的告诉分子生物计算机。使用这种层次结构,用户要解决的问题要想得到解答,必须从他所使用的层开始逐级变换直至底层进行解释。[5]如果从设计角度出发,用户所要解决的问题必须通过逐级变换直到生物技术操作层才能得到解答。因此,应用层与生物算法控制层之间至少需要翻译器,生

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