導(dǎo)論期末論文——淺談生物計(jì)算機(jī)(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(jì)算機(jī)學(xué) 生：梁*指導(dǎo)老師：陳慶強(qiáng)講師系 別：信息科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：計(jì)算機(jī)類(lèi)班 級(jí)：計(jì)算機(jī)*學(xué) 號(hào)：*2013年12月21日目錄：摘要21現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展瓶頸32生物計(jì)算機(jī)的由來(lái)及發(fā)展歷程33生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)44生物計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn)45生物計(jì)算機(jī)擁有人工智能56生物計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀67結(jié)束語(yǔ)68致謝69附錄178摘要生物計(jì)算機(jī)又稱(chēng)仿生計(jì)算機(jī)，是以生物芯片取代在半導(dǎo)體硅片上集成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的晶體管制成的計(jì)算機(jī)。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(jì)算機(jī)芯片本身還具有并行處理的功能，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代的計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍，

2、能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十億分之一，存儲(chǔ)信息的空間僅占百億億分之一。生物計(jì)算機(jī)的研究是理論計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，生物計(jì)算機(jī)的核心思想是用生化反應(yīng)來(lái)模擬計(jì)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(jì)算機(jī)都是在體外進(jìn)行的。體外計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是需要人工操作或設(shè)備的輔助，否則計(jì)算機(jī)的自動(dòng)性無(wú)法的到實(shí)現(xiàn)，這樣的計(jì)算不但麻煩，而且沒(méi)有用生物體的自我調(diào)控機(jī)制來(lái)對(duì)計(jì)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(jì)算機(jī)，如DNA計(jì)算機(jī)。如果能將計(jì)算置于生物體內(nèi),就可以利用生物自動(dòng)性對(duì)計(jì)算進(jìn)行控制。體內(nèi)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比體外計(jì)算機(jī)要復(fù)雜,這不僅因?yàn)閷?duì)生物

3、體的體內(nèi)環(huán)境知識(shí)的匾乏和對(duì)生物自身調(diào)控機(jī)制的不甚了解,而且也是對(duì)將計(jì)算植入生物體內(nèi)所造成的對(duì)生物的影響估計(jì)不足。關(guān)鍵字：生物計(jì)算機(jī)，DNA計(jì)算機(jī)，高速，低能耗，仿生計(jì)算機(jī)。1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展瓶頸當(dāng)今社會(huì)，MOS管制作技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到原子級(jí)，下一步應(yīng)該是朝那個(gè)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(kāi)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?yàn)殡娮悠铺珖?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(lái)的高功耗和發(fā)展緩慢的電能儲(chǔ)存技術(shù)已成為大矛盾。另外，計(jì)算機(jī)的

4、處理速度在將來(lái)的某一天也勢(shì)必受到電能的限制。這種現(xiàn)狀，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的處理速度受到嚴(yán)重的限制，已然成為當(dāng)今社會(huì)計(jì)算機(jī)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(gè)瓶頸，例如處于理論階段的量子計(jì)算機(jī)。要么，就要尋找新的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)， 借鑒生物界的各種處理問(wèn)題的方式，即所謂生物算法。也就是接下來(lái)要談到的生物計(jì)算機(jī)。 2生物計(jì)算機(jī)的由來(lái)及發(fā)展歷程人們驚嘆于錢(qián)鐘書(shū)先生超凡的記憶力。據(jù)說(shuō)有人從圖書(shū)館隨便翻出什么古典文集來(lái)，錢(qián)鐘書(shū)都能準(zhǔn)確無(wú)誤地復(fù)述其內(nèi)容。20世紀(jì)的人，只能為之興嘆，稱(chēng)之為天才；但是，生活在21世紀(jì)的人們就有可能與錢(qián)鐘書(shū)在記憶力上一試高低。這種可能性來(lái)自即將成為21世紀(jì)人類(lèi)生活新伙伴的生

5、物計(jì)算機(jī)。目前以集成電路為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)快要發(fā)展到極限。計(jì)算機(jī)發(fā)展遵循的“摩爾定律”（每18個(gè)月芯片速度翻一番，價(jià)格降低一半）已經(jīng)失效。生物技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)姻的生物計(jì)算機(jī)成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)新的突破口。生物計(jì)算機(jī)就是利用生物分子代替硅，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的高度集成。20 世紀(jì) 80 年代, 美國(guó)、日本、前蘇聯(lián)等國(guó)家開(kāi)始著手研制第六代計(jì)算機(jī)即生物計(jì)算機(jī)。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(shí)可以代表“有信息”或“無(wú)信息”。于是, 科學(xué)家設(shè)想: 假若有機(jī)物的分子也具有這種“開(kāi)”和“關(guān)”的功能, 那豈不可以把它們作為計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)件, 從而造出“有機(jī)物計(jì)算機(jī)

6、”嗎? 后來(lái)有科學(xué)家發(fā)現(xiàn), 一些半醌類(lèi)有機(jī)化合物的分子具備“開(kāi)”和“關(guān)”2 種電態(tài)功能, 可以把它當(dāng)成一個(gè)開(kāi)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(kāi)”和“關(guān)”2 種電態(tài)功能,因而也可以把一個(gè)蛋白質(zhì)分子當(dāng)成一個(gè)開(kāi)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(jiǎn)單的生物元件問(wèn)世, 如生物開(kāi)關(guān)元件、生物記憶元件等。從理論上說(shuō), 只要是用半醌類(lèi)有機(jī)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(jì)算機(jī)。由于有機(jī)物分子總是存在于生物體內(nèi), 所以人們把這種有機(jī)物計(jì)算機(jī)稱(chēng)作“生物計(jì)算機(jī)”或“分子計(jì)算機(jī)”。目前, 生物計(jì)算機(jī)僅處于起步階段, 不論如何，生

7、物計(jì)算機(jī)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(shí)用階段還需要更多的時(shí)間和科學(xué)家更多的艱辛探索。但是, 生物計(jì)算機(jī)可能要改變計(jì)算機(jī)的未來(lái), 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(jì)算機(jī)是以生物界處理問(wèn)題的方式為模型的計(jì)算機(jī)。目前主要有: 生物分子或超分子芯片、自動(dòng)機(jī)模型、仿生算法、生物化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類(lèi)型。3生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)生物計(jì)算機(jī)是人類(lèi)在對(duì)計(jì)算形式多樣化探索道路上的額一個(gè)分支，與傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，同樣處于理論研究階段的量子計(jì)算機(jī)等具有與眾不同的優(yōu)點(diǎn)。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(dú)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(gè)數(shù)量級(jí), 因此具有巨大的存儲(chǔ)能力。如體積為 1 m3的液體生物計(jì)算機(jī), 存儲(chǔ)的信息比世界上所有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)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(wàn)倍。在一平方毫米的面積上，可容納幾億個(gè)電路，比目前的集成電路小得多，用它制成的計(jì)算機(jī)，已經(jīng)不像現(xiàn)在計(jì)算機(jī)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(kāi)關(guān)速度比目前的硅半導(dǎo)體邏輯元件開(kāi)關(guān)速度高出 1 000 倍以上。如果讓幾萬(wàn)億個(gè) 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(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行幾十億

9、次, 這就意味著運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)快十萬(wàn)倍, 能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十億分之一?？煽啃愿弋?dāng)我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中，不小心碰傷了身體，有的上點(diǎn)兒藥；有的年輕人甚至藥都不上，過(guò)幾天，傷口就愈合了。這是因?yàn)槿梭w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(jī)能, 也就是說(shuō), 即便這種芯片出了點(diǎn)故障也無(wú)關(guān)大局, 它能夠慢慢地自動(dòng)復(fù)過(guò)來(lái), 達(dá)到“自我修復(fù)”。所以, 這種生物計(jì)算機(jī)的可靠性非常高, 經(jīng)久耐用, 有“半永久性”。這對(duì)于目前的電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō), 簡(jiǎn)直是一件不可思議的事情。仿生機(jī)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(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn),比如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能, 自動(dòng)修復(fù)芯片發(fā)生的故障, 還能模仿人腦的思考機(jī)制。低功耗和抗干擾生物計(jì)算機(jī)的元件是由有機(jī)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(huì)像電子計(jì)算機(jī)那樣，工作一段時(shí)間后，機(jī)體會(huì)發(fā)熱，而生物計(jì)算機(jī)的電路間也沒(méi)有信號(hào)干擾。小結(jié)生物計(jì)算機(jī)一旦研制成功，可能會(huì)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)引起一場(chǎng)劃時(shí)代的革命。生物計(jì)算機(jī)是以生物界處理問(wèn)題的方式為模型的計(jì)算機(jī)。4生物計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn) 生物計(jì)算機(jī)作為即將完善的新一代計(jì)算機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的。但它也有自身難以克服的缺點(diǎn)。其中最主要的便是從中提取信息困難。

11、一種生物計(jì)算機(jī)24小時(shí)就完成了人類(lèi)迄今全部的計(jì)算量，但從中提取一個(gè)信息卻花費(fèi)了1周。這也是目前生物計(jì)算機(jī)沒(méi)有大量推廣的最主要原因。5生物計(jì)算機(jī)擁有人工智能衡量計(jì)算機(jī)水平的主要指標(biāo)是運(yùn)算速度和存儲(chǔ)量。據(jù)有關(guān)分析測(cè)算，如果生物計(jì)算機(jī)研制成功，其運(yùn)算速度將是目前傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)根本無(wú)法比擬的，它幾十小時(shí)的運(yùn)算量就相當(dāng)于目前全球所有計(jì)算機(jī)運(yùn)算量的總和。生物計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量也將大得驚人?？茖W(xué)家采用有機(jī)的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的生物芯片代替由無(wú)機(jī)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(wàn)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(gè)"門(mén)"電路，其開(kāi)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(zhǎng)期以來(lái)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(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展開(kāi)拓了廣闊的前景。更令人驚異的是，生物計(jì)算機(jī)的元件密度比人的神經(jīng)密度還要高100萬(wàn)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(wàn)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(yíng)養(yǎng)的方式來(lái)補(bǔ)充能量，而不需要外界的任何其他能量。 生物計(jì)算機(jī)具有較高的人工智能，它可以徹底實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)所無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)的模糊推理功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算功能，能夠如同人腦那樣進(jìn)行思維、推理，能

13、認(rèn)識(shí)文字、圖形，能理解人的語(yǔ)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(guó)防軍事領(lǐng)域，發(fā)揮它無(wú)比重要的作用。 不過(guò)，研究人員認(rèn)為，由成千上萬(wàn)個(gè)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(jì)算還存在一些運(yùn)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(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤的容錯(cuò)能力較差等問(wèn)題。因此，生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展可能還需要經(jīng)過(guò)一個(gè)較漫長(zhǎng)的過(guò)程。6生物計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀生物計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜和長(zhǎng)期的研究，目前該研究處于起步階段，尤其是硬件設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論模型研究。1983年，美國(guó)公布了研制生物計(jì)算機(jī)的設(shè)想之后，立即激起了發(fā)達(dá)國(guó)家的研制熱潮。當(dāng)前，美國(guó)、

14、日本、德國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家正在積極開(kāi)展生物芯片的開(kāi)發(fā)研究。從1984年開(kāi)始，日本每年用于研制生物計(jì)算機(jī)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(shí)際成果。這將會(huì)促使計(jì)算機(jī)、電子工程和生物工程這三個(gè)學(xué)科的專(zhuān)家通力合作，加快研究開(kāi)發(fā)生物芯片。7結(jié)束語(yǔ)計(jì)算機(jī)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(shì)必要找到一個(gè)新的突破來(lái)得以實(shí)現(xiàn)下一代計(jì)算機(jī)人工智能。而生物計(jì)算機(jī)具有內(nèi)存大，體積小，計(jì)算速度快等特點(diǎn)，且生物計(jì)算機(jī)與人工智能直接相關(guān)聯(lián)。所以，發(fā)展生物計(jì)算機(jī)乃大勢(shì)所趨。8致謝感謝陳慶強(qiáng)老師辛苦的教導(dǎo)，讓我對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)的有了大致的了解，對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)也有了初步的感受，更重要的是，也對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。文獻(xiàn)參考1中國(guó)工業(yè)生物技術(shù)信息網(wǎng),生物芯片:未來(lái)應(yīng)用如同電腦芯片E.2劉助仁，未來(lái)生物計(jì)算機(jī)探索J,1988.3王敏，引人矚目的生物計(jì)算機(jī)J,開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，19944許進(jìn)，DNA分子生物計(jì)算機(jī)與運(yùn)籌學(xué)發(fā)展的心機(jī)遇D,2000.5曹來(lái)發(fā)，國(guó)內(nèi)外芯片技術(shù)發(fā)展?fàn)顩rJ,科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，文章編號(hào)：1005-6033（2002）02-01