未來，它將取代量子計算機

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2018年5月22日，加拿大麥吉爾大學的工程師丹·尼古勞在《美國國家科學院院刊》撰文宣稱，他們新發明的生物計算機可成為未來量子計算機的可靠替代品。當大家還停留在對量子計算機似懂非懂的階段，它的替代者竟然迫不及待地粉墨登場了。

嶄新的計算機

丹·尼古勞為何如此自信？因為這種生物計算機“天然”具備同時執行多個任務的能力，也就是計算機科學家所說的“并行計算”。與僅適用于串行計算（即盡可能快地一次執行一個任務）的傳統微處理器相比，這是一個重大的革新。而21世紀初上市的多核處理器，只是通過人工手段部分地彌補了這一固有缺陷。

替代者名叫“超級蛋白質”計算機，該處理器的有機電路只需數秒就能解出極為復雜的方程，而目前筆記本電腦中的多核處理器求解同樣的方程得耗時數月。相反，“超級蛋白質”計算機專為并行計算而生。為什么它具有這種能力？因為這種計算機的電路允許多個因子——替代電子作為信息載體的肌動蛋白微絲——同時運行。這一想法最早產生于21世紀初，當時科學家曾設想使用多個生物因子，最好是既小又快，來解答復雜的數學問題。

生物計算機的每次計算，都需要構建特定的回路，構建回路有賴于有機玻璃覆蓋的二氧化硅芯片，其上刻有以電子束曝光工藝布局的迷宮般的隧道。這個階段還談不上有機——只有將蛋白質溶液注入這些納米級的“隧道”，才最終形成運算回路。肌動蛋白微絲可以在隧道結改變方向，相當于進行了一次運算。這套系統的優勢在于，它能夠將多個蛋白質注入電路：被分流的信號可以覆蓋整個回路，由此實現計算的同時性。在肌蛋白計算機上，研究團隊成功通過建模，解出了一個知名的復雜數學問題，即找出任意整數集（比如2、5、9）蘊藏的所有子集。如果使用普通的計算機，求解這個問題所花費的時間，將隨著元素數量的增加呈指數級增長，因為問題的復雜性隨著每一步運算的可選擇性增加而提升，組合的數量最終將趨向無窮大。

事實上，這類問題在經濟學（例如對投資組合的回報及風險的評估），空間和物流管理（交通運輸的最優化、計算經過71座城市的最短路程……），以及工業生產（例如提高切割材料的利用率）等領域都十分常見。在面對這類問題時，傳統的微處理器必須窮舉每一種可能的選項，其數量甚至可達5X1080之巨——這幾乎和整個宇宙的原子總數相當，無怪乎它們的計算如此漫長！

醞釀發酵很久

盡管現在電子超級計算機的計算能力已經超乎一般人的想象，但這并不意味著再沒有提高的空間。而除了計算能力以外，龐大的體積與驚人的能源消耗也是電子超級計算機不得不面對的尷尬問題。為了克服電子計算機的種種缺點，科學家通過對生物組織體研究，發現組織體是由無數的細胞組成，細胞由水、鹽、蛋白質和核酸等有機物組成，而有些有機物中的蛋白質分子像開關一樣，具有“開”與“關”的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術，仿制出這種蛋白質分子，用來作為元件制成計算機，科學家把這種計算機叫做生物計算機。

1983年，美國公布了研制生物計算機的設想之后，立即激起了發達國家的研制熱潮。從1984年開始，日本每年用于研制生物計算機的科研經費為86億日元。1995年，來自各國的200多位專家共同探討了有關DNA計算機的可行性；2011年，發明了第一個由DNA分子組成的人工神經網絡，可以識別四種簡單的模式；2018年7月，科學家推出了“試管人工智能”，通過正確識別手寫數字，可以解決經典的機器學習問題。

一根DNA鏈的直徑僅為二十億分之一米，沒有任何金屬線能加工到這么細，因此DNA鏈在制造微小電子元件方面具有獨特的優勢。雖然科學家們剛剛開始探索在分子機器中創造人工智能，但它的潛力是不可否認的。就像100年來電子計算機和智能手機讓人類變得更有能力一樣，在未來的100年里，人工分子機器可以讓所有由分子構成的東西——可能包括油漆和繃帶——更得力，對環境的反應也更靈敏。

成本便宜99%

而使用肌蛋白計算機，只需花上數分鐘刻出運算所需的專用回路，再向其注入肌蛋白，數分鐘就能解決這些問題。簡而言之，在肌蛋白計算機中，計算的復雜性體現在整個回路中計算因子的數量上，而不是執行運算的時間。由于蛋白質普遍存在于自然界，這令整套設備的成本大幅降低，更何況它還具備節能優勢。蛋白質的可動性由肌球蛋白保障，后者相當于肌動蛋白微絲的傳送帶。這些微小分子的運動是通過將化學能轉換為機械能實現的。在生物體內，肌球蛋白和肌動蛋白對于肌肉的收縮起著尤為關鍵的作用。為了給遵循相同機制運作的生物計算機補充能量，研究人員在蛋白質溶液中加入了ATP（三磷酸腺苷），也就是為生物體新陳代謝提供所需能量的有機分子。ATP的使用將大幅降低能耗。據估計，肌蛋白計算機中每平方毫米回路的耗能只有0.25毫瓦，僅為一個普通多核處理器能耗的1/2000 ！

肌蛋白計算機不僅能耗低，而且其主要材料蛋白質也談不上有什么成本。在制造工藝簡化后，原先耗費高昂的芯片融合、真空腔體和電路調整等工序也不再是必須的了——與硅基電路相比，肌蛋白計算機的成本有望降低99%。而這還不是用生物分子替代傳統電子元件的首個案例——以DNA為基礎的生物計算概念早已形成，但肌蛋白計算機的出現，無疑給世人點燃了一盞尋求硅基計算替代物的新明燈。

完全取代電子元件？

有朝一日，電子元件會被完全替代嗎？言之過早。目前的生物計算機還十分簡陋，要克服眼下的一堆技術困難，沒個十幾年時間是不行的。這些生物計算機不會取代電子設備，即便它們更擅長應付某些問題，但反之亦然。至少目前而言，它們是為處理特定問題而專門設計的，并不適用于解決普通問題。然而興許在不遠的將來，就會有那么一些以硅和有機物共同組成的混合式超級計算機，作為生命與電子元件聯姻的最佳代表呈現在我們面前。

生物計算機技術一旦成熟，可能會在計算機領域內引起一場劃時代的革命。與傳統電子計算機的順序線性處理模式不同，生物計算機具有并行計算的能力，因此能夠更加高效地解決復雜的平行問題，這對于計算量巨大的密碼學與數學優化領域大有幫助。不僅如此，而且與動輒需要占用幾層樓的超級計算機相比，一本書的大小實在是太迷你了。美國、日本、德國和俄羅斯的科學家都在積極推進生物芯片的開發研究。不過，研究人員認為，目前生物計算還存在一些運行上的障礙，如大規模操作的困難、非特異性吸附及復制過程出現錯誤的容錯能力較差等問題。因此，生物計算機的發展可能還需要經過一個比較漫長的過程。