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呂惠

如今，無論在生活還是在工作中，都離不開計算機的幫忙。然而，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，目前電子計算的并行運算速度和存儲能力面臨發(fā)展瓶頸，科學(xué)家開始尋找新的計算媒介。

近日，加州理工學(xué)院的科學(xué)家研發(fā)出可廣泛編程的DNA計算機，其有望完成多重計算任務(wù)，相關(guān)成果被刊登在《自然》雜志上。

那么，DNA計算機的原理是什么？與傳統(tǒng)的電子計算機相比，它有哪些優(yōu)勢？

在介紹“大神”DNA計算機前，我們要先講講它的“前輩”———電子計算機。

別看電子計算機能為我們解決很多難題，但對于一些難度較大的數(shù)學(xué)問題，它也束手無策。例如，哈密爾敦路徑問題，即假定存在多座城市，計算機要規(guī)劃出一條經(jīng)每座城市且不重復(fù)的最短路線。當(dāng)城市數(shù)量少時，電子計算機或許能在短時間內(nèi)給出答案，但當(dāng)城市數(shù)量多至100個時，電子計算機就會“忙不過來”，要找出這條路線或許需要數(shù)百年。

在生活中，我們或許很少會遇到這類“燒腦”難題，但在大數(shù)據(jù)時代，由于數(shù)據(jù)存儲量的激增，大體量計算任務(wù)也會隨之增多。

“如今，傳統(tǒng)電子計算機的算力逐漸接近‘天花板’，未來可能無法滿足巨大的計算需求。”廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授劉向榮介紹道，為了提高計算機的運算速度，其內(nèi)部電路的集成度會越來越高，芯片上的晶體管也會愈發(fā)密集。目前，管道之間的距離約為10納米，該距離一旦小于1納米，就會出現(xiàn)問題。比如，電子在運動過程中將穿過晶體管壁，“亂成一鍋粥”，無法再形成穩(wěn)定有序的電路，致使計算無法正常進(jìn)行。

“按照摩爾定律的說法，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目每隔約18～ 24個月便會增加一倍。”劉向榮說。

但隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，摩爾定律逐漸受到了物理法則的限制。目前，晶體管的體積已達(dá)到納米級別，繼續(xù)縮小的可能性正在變小，摩爾定律所預(yù)言的發(fā)展軌跡似乎已再難延續(xù)。

于是，部分科學(xué)家開始尋找能力更強大的、可突破目前電子計算機瓶頸的下一代計算機。

科學(xué)家將目光投向了生物領(lǐng)域，在那里尋找“后補選手”。1994年，圖靈獎獲得者、美國科學(xué)家阿德拉曼提出基于生物化學(xué)反應(yīng)機理的DNA計算模型，推開了DNA計算的大門。

DNA，即脫氧核糖核酸，是具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的有機化合物。那么，染色體中的DNA是怎么完成計算任務(wù)的？

“DNA計算是以DNA和相關(guān)生物酶為基本材料，利用某些生化反應(yīng)進(jìn)行計算的一種新型的分子生物計算方法。”北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副研究員張成表示，它主要是利用DNA分子特有的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補配對原則進(jìn)行計算。

其具體的計算步驟為，首先工作人員對待解決的問題進(jìn)行編碼，即將運算對象編碼成DNA分子鏈（單鏈或雙鏈）；其次是將編碼后的DNA分子鏈混入生物酶溶液中，生成各種數(shù)據(jù)池；然后在生物酶的作用下，按照一定規(guī)則將解決問題的過程映射成DNA分子鏈的可控生化反應(yīng)的過程；最后，利用分子生物技術(shù)，如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等，得到最終的運算結(jié)果。

“與電子計算的操作不同，DNA計算屬于‘濕實驗’，即大部分運算都在液體里進(jìn)行。”張成講道。在DNA計算環(huán)境下，要想讀取數(shù)據(jù)，可不像電子計算機這么方便，看一眼電子屏幕就成了，而是需要通過凝膠電泳、熒光成像、原子力顯微鏡和透射電鏡等生物分子檢測技術(shù)獲得計算結(jié)果。

張成介紹道，DNA計算的最大優(yōu)勢在于其高并行性，即DNA的每條單鏈都可被看成是一臺計算設(shè)備，其內(nèi)部海量的鏈條則可被看成一個“機房”，這就相當(dāng)于成百上千臺計算機在同時進(jìn)行運算。

這種高并行性極大地提升了運算速度。舉例來說，若想從億萬人中找出一個手拿釘子的人，傳統(tǒng)的電子計算機往往要一個一個篩，直到檢索出目標(biāo)；而DNA計算模式，則可并行對1 018個人同時進(jìn)行檢測，其計算速度相當(dāng)可觀。“高并行性讓DNA計算具備了進(jìn)行大規(guī)模計算的能力，可用于專用計算。”劉向榮表示。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授許進(jìn)曾撰文表示，一臺DNA計算機在一周的運算量或相當(dāng)于所有電子計算機問世以來的總運算量。

“除具有高并行性外，DNA分子還具有海量存儲能力，這也是DNA計算的另一優(yōu)勢。”張成指出，信息時代的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，電子計算機芯片等元器件的集成能力愈發(fā)接近瓶頸，亟待開發(fā)新的存儲媒介。

DNA作為信息的載體，其貯存容量巨大。1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億個二進(jìn)制數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)超當(dāng)前全球所有電子計算機的總儲存量。

近年來，不僅很多科學(xué)家熱衷于研究DNA存儲，一些企業(yè)也將目光投向這一領(lǐng)域。微軟研究院計劃于2020年前將DNA存儲系統(tǒng)投入到數(shù)據(jù)中心中使用，華為戰(zhàn)略研究院也將DNA存儲納入未來研發(fā)計劃中。

此外，許進(jìn)還提到，DNA計算機所消耗的能量只占一臺電子計算機完成同樣計算任務(wù)所消耗能量的十億分之一。

“高大上”的DNA計算，能被用在哪兒呢？

“在信息技術(shù)領(lǐng)域中，基于DNA計算的強大運算能力，其有望被應(yīng)用于密碼破譯或超大規(guī)模信息處理等業(yè)務(wù)中。”劉向榮表示，現(xiàn)有的密碼體系之所以安全、可靠，并非在于其無法被破譯，而是因為破譯時間過長，可能需要上百年。而DNA計算則有望將同一密碼的破譯時間縮短至幾天，甚至更短，屆時現(xiàn)有密碼體系可能會“潰不成軍”。

在北京理工大學(xué)計算機學(xué)院副教授閆懷志看來，生物醫(yī)藥也將是DNA計算主要的應(yīng)用場景之一：“DNA計算由于其融合應(yīng)用了電子技術(shù)和生物技術(shù)，使得電腦與人腦相結(jié)合的‘人機合一’成為可能。可以設(shè)想，采用DNA計算技術(shù)，甚至能在人體或細(xì)胞內(nèi)直接植入人造生物芯片、運行計算機程序。”

“利用DNA計算技術(shù)，科學(xué)家可在細(xì)胞內(nèi)植入DNA納米機器人和分子電路，完成細(xì)胞功能調(diào)控。例如，北京大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊構(gòu)建的多種DNA分子電路，可對某種腫瘤標(biāo)志物進(jìn)行特異性識別，進(jìn)而實現(xiàn)快速診斷。”張成說。

“此外，得益于DNA分子鏈本身的微小性、可折疊性及高度穩(wěn)定性，近年來DNA分子存儲技術(shù)受到廣泛關(guān)注。”張成指出，科學(xué)家已經(jīng)把莎士比亞的詩、馬丁·路德金的演講等信息通過分子編碼，成功以DNA形式進(jìn)行存儲。DNA硬盤或?qū)⒂诓痪煤髥柺馈?/p>

與此同時，專家也表示，目前來看，DNA計算技術(shù)落地仍面臨諸多挑戰(zhàn)。“目前，學(xué)界還未找到實時、高靈敏度的檢測DNA單分子的技術(shù)手段。DNA運算結(jié)果信號往往為微小、微量的DNA單分子，如何增強這種納米級別的信號或提升單分子檢測技術(shù)的能力，需要我們進(jìn)一步努力。”劉向榮指出。

新技術(shù)只有走出實驗室，才能體現(xiàn)其價值，造福大眾。張成坦言，目前由于DNA計算技術(shù)相關(guān)研究仍屬于前沿基礎(chǔ)研究范疇，市場資金介入度不夠。“因此，我們亟須加強相關(guān)的應(yīng)用研究，吸引市場的關(guān)注。”張成說。

“目前來看，DNA計算技術(shù)距離真正落地，還有很長的路要走，或許需要20年。”劉向榮推測道。