大學(xué)計(jì)算機(jī)論文

1、.DNA計(jì)算機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展暢想丁利娟 3110103805摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的電子計(jì)算機(jī)在許多領(lǐng)域漸漸顯得捉襟見肘，功能越來越有限。與此同時，眾多更先進(jìn)的新型計(jì)算機(jī)技術(shù)正如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，高速超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、激光計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)，甚至有神經(jīng)元計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)等，科技發(fā)展讓一切成為可能。DNA是生物最主要的遺傳物質(zhì)，既然它能貯存數(shù)量如此巨大的遺傳信息，那么，它是否也能被設(shè)計(jì)成計(jì)算機(jī)的芯片呢？高瞻遠(yuǎn)矚的科學(xué)家們早已認(rèn)識到這一點(diǎn)，并且正在努力把這種奇思妙想付諸實(shí)踐。關(guān)鍵詞：DNA計(jì)算機(jī)，研究現(xiàn)狀，發(fā)展暢想日本在1981年宣布要在10年內(nèi)研制能聽會說、能識字、會思考的第

2、五代計(jì)算機(jī)，投資千億日元并組織了一大批科技精英進(jìn)行研究。這一宏偉計(jì)劃曾經(jīng)引起世界矚目，并讓美國恐慌了好一陣子，有人甚至驚呼這是“科技戰(zhàn)場上的珍珠港事件”。很明顯，日本的計(jì)劃沒有完全實(shí)現(xiàn)，時至今日，還沒有哪一臺計(jì)算機(jī)被宣稱是第五代計(jì)算機(jī)。那么，什么是第五代計(jì)算機(jī)呢？所謂第五代計(jì)算機(jī)，是指具有人工智能的新一代計(jì)算機(jī)，它具有推理、聯(lián)想、判斷、決策、學(xué)習(xí)等功能，人機(jī)之間可以直接通過自然語言或圖形圖像交換信息。研制第五代計(jì)算機(jī)的想法之所以能夠產(chǎn)生，是因?yàn)楝F(xiàn)有的第四代電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)不能滿足使用的需要。電子計(jì)算機(jī)也號稱智能化，但這種智能與人工相比顯得過于幼稚。它當(dāng)然可以進(jìn)行復(fù)雜的文字、圖像、聲音和影像等的處

3、理，也可以具有完美的配件和強(qiáng)大的性能，然而在相當(dāng)大的程度上，它是人的附屬工具。也就是說，它的功能的實(shí)現(xiàn)需要人對它進(jìn)行操作，它不能夠自己推理、聯(lián)想、判斷、決策、學(xué)習(xí)，也就不夠智能。另外，在某些高科技領(lǐng)域，面對高速、大量的計(jì)算任務(wù)的要求，例如為進(jìn)行高層建筑的耐震設(shè)計(jì)解析一種立柱模型受到搖動時的三維振動情況，即使用現(xiàn)在最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)算上一百年也難以完成。再比如，原子反應(yīng)堆事故和核聚變反應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)、資源探測衛(wèi)星發(fā)回的圖象數(shù)據(jù)的實(shí)時解析、飛行器的風(fēng)洞試驗(yàn)、天氣預(yù)報、地震預(yù)測等要求的極高的計(jì)算速度和精度，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前電子計(jì)算機(jī)的能力極限?？傊?，當(dāng)今的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域遭遇瓶頸。這就迫使人們想

4、方設(shè)法對之做出改進(jìn)，甚至，研制新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來代替它。目前在提出階段和研究階段的技術(shù)有高速超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、激光計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)、神經(jīng)元計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)等等，其中后三者都把目光轉(zhuǎn)向了生物，聽起來仿佛是天方夜譚，但按照現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)也并不是不可能。本文擬對DNA計(jì)算機(jī)的發(fā)展做出一定的分析。眾所周知，DNA作為攜帶遺傳物質(zhì)的載體，對生物的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。人類基因組計(jì)劃研究發(fā)現(xiàn)，人的一個基因組有2到3萬個基因。既然基因能承擔(dān)這么龐大的信息系統(tǒng)的角色，它是否也可以應(yīng)用到信息技術(shù)領(lǐng)域，作為信息的存儲裝置呢？許多數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家、化學(xué)家以及計(jì)算機(jī)專家從中得到啟迪，正在合作研

5、究制造未來的液體DNA電腦。這種DNA電腦的工作原理是以瞬間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過和酶的相互作用，將發(fā)生過程進(jìn)行分子編碼，把二進(jìn)制數(shù)翻譯成遺傳密碼的片段，每一片段就是雙螺旋的一個鏈，然后對問題以新的DNA編碼的形式加以回答。和普通電腦相比，DNA電腦的優(yōu)點(diǎn)首先是體積小，但存儲的信息量卻超過現(xiàn)在世界上所有的計(jì)算機(jī)。一、 DNA計(jì)算機(jī)的研究現(xiàn)狀1. DNA計(jì)算機(jī)的基本原理DNA計(jì)算機(jī)研究的基礎(chǔ)是不斷發(fā)展的生物技術(shù)，它的基本原理是：將DNA分子中的密碼子作為存儲的數(shù)據(jù)，當(dāng)DNA分子間在某些酶的作用下瞬間完成某些生物化學(xué)反映時，可以從一種基因代碼變?yōu)榱硪环N基因代碼。如果將反應(yīng)前的基因代碼作為輸入數(shù)

6、據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼就可以作為運(yùn)算結(jié)果。這樣，通過對DNA分子進(jìn)行豐富的精確可控的化學(xué)反應(yīng)，包括標(biāo)記、擴(kuò)增或者破壞原有鏈等操作來完成各種不同的運(yùn)算過程，就可以研制成一種以DNA作為芯片的新型計(jì)算機(jī)。DNA計(jì)算機(jī)中的原始數(shù)據(jù)就是DNA分子。DNA是一種高分子化合物，組成它的基本單元是脫氧核苷酸。每個脫氧核苷酸是由一分子磷酸、一分子脫氧核酸和一分子含氮堿基組成。脫氧核苷酸的含氮堿基共有4種，它們是腺嘌呤A、鳥嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶T。遺傳信息以A、T、G、C在核苷酸中的排列順序而體現(xiàn)，其排列序列的多樣性構(gòu)成了豐富的遺傳信息。2. DNA計(jì)算機(jī)的研制過程DNA計(jì)算機(jī)的研制過程分為可行性論證、速度

7、提升、實(shí)用性3個階段，其對應(yīng)的計(jì)算模型分別為試管DNA計(jì)算模型、表面DNA計(jì)算模型、芯片DNA計(jì)算模型。試管計(jì)算機(jī)模型是指在一個或多個試管的溶液里DNA分子和相關(guān)生物酶等進(jìn)行生化反應(yīng)的DNA計(jì)算。在這種計(jì)算模型中，DNA分子漂浮在溶液中給樣品操作帶來困難，而且在某些生物操作中容易丟失DNA鏈，因此，操作結(jié)果的穩(wěn)定性不高，其主要任務(wù)是進(jìn)行可行性認(rèn)證。表面DNA計(jì)算模型是將對應(yīng)于問題解空間的DNA分子固定在一塊固定載體上，如玻璃片、金屬片、各種有機(jī)高分子制作的薄膜等，再通過各種生化反應(yīng)逐步生成解空間，最后得到計(jì)算結(jié)果。表面模型與試管模型相比，減少了樣品處理中的丟失，減少了寡核苷酸間的干擾，方便了實(shí)

8、驗(yàn)中每一步DNA分子的純化，提高了運(yùn)算速度。芯片DNA計(jì)算模型的主要任務(wù)是在表面模型的基礎(chǔ)上提高實(shí)用性，使之能像電子計(jì)算機(jī)中的芯片一樣大規(guī)模生產(chǎn)，使 DNA計(jì)算機(jī)能走向?qū)嶋H應(yīng)用。3. DNA計(jì)算機(jī)的研究成果2001年,以色列Weizmann科學(xué)研究所研制了一種基于分子生物的可編程與自治的計(jì)算機(jī)，這種納米級生物計(jì)算機(jī)實(shí)際上是一個試管計(jì)算機(jī)。在該計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)用一條DNA鏈中的分子存儲。負(fù)責(zé)代碼讀取、復(fù)制和操作的是作為硬件的兩種天然酶。當(dāng)軟、硬件混合在試管中，就對“輸入分子”進(jìn)行操作，以生成“輸出分子”。該計(jì)算機(jī)耗能極小，非常適合植入細(xì)胞運(yùn)行，其運(yùn)算速度可達(dá)10億次/秒，精確度可達(dá)99.8%。20

9、04年，上海交通大學(xué)Bio-X生命科學(xué)研究中心和中科院上海生命科學(xué)研究院營養(yǎng)科學(xué)研究所已在試管中完成了DNA計(jì)算機(jī)的雛形研制工作，在實(shí)驗(yàn)上把自動機(jī)與表面DNA計(jì)算結(jié)合起來。他們采用雙色熒光標(biāo)記對輸入分子和輸出分子進(jìn)行同時檢測，用測序儀對自動化運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，用磁珠表面反應(yīng)法固化反應(yīng)提高可控性，最終在某一程度上模擬了電子計(jì)算機(jī)處理0信號和1信號的過程，標(biāo)志著中國第一臺“DNA計(jì)算機(jī)”問世。但這臺所謂的“DNA計(jì)算機(jī)”并不具備使用功能，只是解決了一些原理上的問題。怎樣讓這樣的計(jì)算機(jī)在客觀上有可能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用呢？邏輯門是計(jì)算機(jī)的核心，只要有了一個足夠復(fù)雜的邏輯門系統(tǒng)，一臺計(jì)算機(jī)也就基本具備雛形。認(rèn)

10、識到了這一點(diǎn)，許多科學(xué)家和計(jì)算機(jī)專家開展了一系列邏輯門的研究。2006年，中科院上海應(yīng)用物理研究所的樊春海研究員與上海交通大學(xué)Bio-X中心的賀林院士、張治洲教授通過學(xué)科交叉研究與合作，將原有的DNA邏輯門技術(shù)做了改進(jìn)，使之成為一種新的技術(shù)。原有技術(shù)的缺陷就在于，DNA核酶中的RNA核苷很容易被一種RNA酶分解，造成邏輯門的不穩(wěn)定。而新的這種邏輯門的特色就是排除了以往DNA邏輯門設(shè)計(jì)中RNA核苷的參與，僅單純應(yīng)用DNA分子，從而避免了不穩(wěn)定性。2007年，美國科學(xué)家開發(fā)出一種新型DNA計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)能通過RNA干擾機(jī)制在人類細(xì)胞中工作，這意味著人類離生物計(jì)算機(jī)的研制成功又近了一步。二、 D

11、NA計(jì)算機(jī)面臨的主要困難盡管科技的發(fā)展已經(jīng)允許我們將DNA計(jì)算機(jī)的研究付諸實(shí)踐，這個過程仍困難重重。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展需要其他學(xué)科、技術(shù)的支持，因而困難是來自多方面的。1.分子生物學(xué)技術(shù)的制約。DNA計(jì)算機(jī)要求在分子水平上進(jìn)行操作，而目前的分子生物學(xué)技術(shù)的研究還處于發(fā)展階段，不能完全達(dá)到分子尺度運(yùn)算的要求。舉例來說，常規(guī)DNA重組技術(shù)中的分子連接效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DNA計(jì)算機(jī)的要求，這往往成為錯誤運(yùn)算的源頭。目前在試管里進(jìn)行的DNA計(jì)算實(shí)際上就是DNA重組技術(shù)，而目前成功的DNA計(jì)算實(shí)驗(yàn)都是采用PCR技術(shù)來擴(kuò)增反應(yīng)中間物的。但真正要實(shí)現(xiàn)高精度DNA計(jì)算機(jī)的制造成功，實(shí)驗(yàn)的難度需要大大地提高。2.解

12、空間指數(shù)爆炸問題隨著DNA計(jì)算機(jī)研究的逐漸深入，現(xiàn)有的基于窮舉方法的DNA計(jì)算機(jī)算法中存在的解空間指數(shù)爆炸問題日益突出，這已成為限制DNA超級計(jì)算機(jī)應(yīng)用的瓶頸。降低DNA計(jì)算機(jī)空間的復(fù)雜性牽涉到算法設(shè)計(jì)與編碼，因此考慮將傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)并行處理的策略、方法和技術(shù)引入DNA超級計(jì)算機(jī)是一條重要的途徑。另外，也可以結(jié)合其他算法如進(jìn)化算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，甚至可以創(chuàng)造出新的算法。3.解的檢測問題檢測問題幾乎貫穿了DNA計(jì)算的始終。其中如何給出快速準(zhǔn)確的檢測技術(shù)以及如何利用現(xiàn)有的IT技術(shù)進(jìn)行解的檢測是DNA計(jì)算機(jī)研究中的重點(diǎn)。從目前的研究現(xiàn)狀來看，DNA傳感器技術(shù)可能是DNA計(jì)算機(jī)檢測中一個很

13、有希望的工具。在這種傳感技術(shù)中，DNA分子的固定技術(shù)又是一個關(guān)鍵點(diǎn)。生物固定技術(shù)由來已久，但要運(yùn)用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，還需要進(jìn)一步的發(fā)展。4.DNA編碼問題這一問題涉及兩個指標(biāo)，一是編碼質(zhì)量，二是編碼數(shù)量。編碼質(zhì)量越高，那么DNA計(jì)算的可靠性明顯會提高。而編碼數(shù)量越大，解決問題的應(yīng)用規(guī)模就越大。顯然，這兩個指標(biāo)存在矛盾的地方，我們所能做的就是在滿足一定編碼質(zhì)量的前提下，求所能得到的最大編碼集合，而這樣的成果往往是有限的?？偠灾?，就目前來說，DNA計(jì)算機(jī)的大量研究還停留在表面上，很多設(shè)想和方案都是理想化的，還沒有條件付諸實(shí)踐，如何實(shí)現(xiàn)DNA計(jì)算并制造DNA計(jì)算機(jī)，還存在許多技術(shù)障礙。對于DNA計(jì)算構(gòu)

14、造的現(xiàn)實(shí)性及計(jì)算潛力、計(jì)算中錯誤的減少、有效的通用算法以及人機(jī)交互等問題都需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。尤其是DNA計(jì)算中存在的誤碼，這種誤碼是依隨機(jī)概率產(chǎn)生的，并能被逐級放大。誤碼率直接影響DNA的計(jì)算精度，目前還不能有效克服這一問題。也許DNA計(jì)算機(jī)僅僅起到一個運(yùn)算器的作用，即便如此，這種計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)互補(bǔ)所獲得的計(jì)算機(jī)也將產(chǎn)生不可估量的影響。三、 DNA計(jì)算機(jī)應(yīng)用前景的展望1. DNA計(jì)算機(jī)與DNA 芯片技術(shù)的結(jié)合目前生物芯片的技術(shù)已經(jīng)獲得了很大的進(jìn)展。DNA計(jì)算機(jī)與DNA芯片技術(shù)相結(jié)合，有可能應(yīng)用組合化學(xué)的方法。自動設(shè)計(jì)與合成大量的編碼的DNA序列，并使DNA的計(jì)算操作進(jìn)一步自動化。這將使

15、DNA計(jì)算機(jī)向?qū)嵱没较虼蟠笄斑M(jìn)一步。未來的DNA計(jì)算機(jī)并不僅僅是為了解決數(shù)學(xué)上的難解問題，而更主要的是，它將以真正的生物大分子計(jì)算機(jī)芯片的方式，植入生物體內(nèi)，共同對生命的基本過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，用以治療各種機(jī)能性障礙疾病。2. 多樣化DNA芯片芯片是計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部件，關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)也有不少方向。各個方向的芯片技術(shù)有其專門的特殊用途。如果把多個方向的芯片整合到一張芯片上又會產(chǎn)生怎樣的效果呢？那就是一臺全能計(jì)算機(jī)。如果實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)就可以完全地模式化，產(chǎn)品的規(guī)格可以達(dá)到一致，大大地提高生產(chǎn)效率。3. 與生物信息學(xué)相結(jié)合大量的事實(shí)表明，大規(guī)模并行運(yùn)算是生物體內(nèi)普遍存在的基本法則。例

16、如，大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)能對大量的外界輸入信息同時進(jìn)行大規(guī)模的并行運(yùn)算和加工，從而做出正確的判斷，細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，能對作用于細(xì)胞膜表面受體的多種化學(xué)因子的作用進(jìn)行并行處理 ，從而調(diào)控細(xì)胞的整體功能活動。DNA計(jì)算機(jī)中多種不同的DNA序列及與其有關(guān)的生化反應(yīng)，如堿基互補(bǔ)結(jié)合、酶分解、DNA鏈連接延伸、基因擴(kuò)增等，在生物體內(nèi)都是存在的。因此對生物學(xué)中并行運(yùn)算操作規(guī)律的研究，對理解基因組網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行規(guī)律以及生物復(fù)雜的調(diào)控機(jī)理有重要意義。4. DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)的有機(jī)融合現(xiàn)有的電子計(jì)算機(jī)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，代復(fù)一代，無論是硬件還是軟件都日臻成熟。這是對DNA計(jì)算機(jī)研究的一大支持。DNA計(jì)算機(jī)如果能與

17、電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合，新與舊的碰撞將產(chǎn)生火花，發(fā)揮出難以估量的潛力。試想，DNA計(jì)算機(jī)可以直接處理各種智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、螞蟻算法、免疫系統(tǒng)等等，當(dāng)這些計(jì)算結(jié)果顯示在我們習(xí)以為常的液晶顯示屏上時，這會是一種多么奇妙的感覺！5. 開發(fā)DNA海量存儲器DNA計(jì)算機(jī)的信息容納量本來就很龐大，但人類社會的信息量也在不斷增加，誰也不能保證未來兩者是否能夠?qū)Φ绕饋?。不少科學(xué)家前瞻性地提出了DNA海量存儲器的概念。就目前的技術(shù)來說，DNA本身就具備了成為海量存儲器的功能，因此，如果據(jù)此開發(fā)海量存儲器，將在數(shù)據(jù)加密、解密以及NP等復(fù)雜性問題上取得突破性進(jìn)展。屆時，所有的計(jì)算機(jī)都不會有內(nèi)存不足的問題

18、，對計(jì)算機(jī)的安全也有更好的保障。6. 分子操作的高級語言DNA計(jì)算是一種新的計(jì)算方法，它與傳統(tǒng)意義上的計(jì)算不同，是以切割、粘貼、插入和刪除等操作為基本運(yùn)算，因此，開發(fā)一種以這些基本運(yùn)算為基礎(chǔ)的分子操作的高級語言必將對DNA計(jì)算機(jī)的形成和推廣使用起巨大作用。為達(dá)到這種算法的普及，可以將其納入到教育體制中來，與生物學(xué)結(jié)合進(jìn)行教學(xué)。四、 總結(jié)2011年5月31日，新加坡南洋理工大學(xué)舒建軍教授在物理評論快報發(fā)表了他的最新研究成果，稱他的團(tuán)隊(duì)提出了一種通過操縱DNA鏈能解決基于DNA計(jì)算的戰(zhàn)略分配問題。他同時也宣稱，“我們團(tuán)隊(duì)在DNA計(jì)算領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)步，期望未來取得更大的進(jìn)步。DNA是計(jì)算的未來。”DNA是計(jì)算的未來，無數(shù)科學(xué)家、學(xué)者和計(jì)算機(jī)專業(yè)人士正是堅(jiān)信這一點(diǎn)才努力為之奮斗。我們有理由相信，