• 未来程序员拿试管“写”代码?

    今天,无论在生活中还是在工作中,我们都离不开电脑的帮助。 
    然而,随着大数据时代的到来,当前电子计算的并行计算速度和存储容量正面临着发展的瓶颈,科学家们开始寻找新的计算媒体。  
    最近,加州理工学院的科学家开发了一种可广泛编程的DNA计算机,有望完成多项计算任务,结果发表在Nature杂志上。  
    那么,DNA计算机的原理是什么? 
    它比传统电子计算机有什么优势? 
    科技日报记者就这些问题采访了相关专家。  
    电子芯片开发遇到物理限制  
    介绍大神DNA之前电脑,我们首先要谈谈它的前身,电子计算机。  
    不看电脑可以为我们解决很多问题,但对于一些困难的数学问题,它不能做关于它的一切。 
    例如,路径的汉密尔顿问题,即假设有多个城市,计算机必须计划通过每个城市并且不重复的最短路线。 
    当城市数量较少时,计算机可能会在短时间内给出答案,但当城市数量达到100时,计算机将会太忙,可能需要数百年的时间才能找到答案。 。  
    在生活中,我们可能很少遇到这样的大脑燃烧问题,但在大数据时代,由于数据存储的激增,大规模的计算任务也将增加。   
    今天,传统电子计算机的计算能力逐渐接近“天花板”,未来可能无法满足巨大的计算需求。 
    厦门大学信息科学与技术学院教授刘向荣表示,为了提高计算机的计算速度,内部电路的集成将越来越高,芯片上的晶体管将会变得更加密集。 
    管道之间的距离目前约为10纳米,一旦距离小于1纳米,就会出现问题。 
    例如,电子在运动过程中会穿过晶体管的壁,变成一锅粥,不再形成稳定有序的电路,这使得计算变得不可能。  
    根据摩尔定律,集成电路可容纳的元件数量每18到24个月增加一倍。 
    刘向荣说。  
    然而,随着芯片技术的不断发展,摩尔定律逐渐遇到了物理定律的局限。 
    目前,晶体管的体积已达到纳米级,进一步降低的可能性正在变小。摩尔定律预测的发展轨迹似乎难以继续。  
    因此,一些科学家开始寻找能够突破当今瓶颈的更强大的下一代计算机。电子计算机。  
    使用生化反应计算液体  
    科学家已将注意力转向生物领域,寻找修复后的球员。  
     1994年,图灵奖得主和美国科学家阿德拉曼提出了一种基于生化反应机制的DNA计算模型,为DNA计算开启了大门。  
     DNA,脱氧核糖核酸,是具有双螺旋结构的有机化合物。 
    然后,染色体中的DNA 
    你是如何完成计算任务的?  
     DNA计算是一种基于DNA和相关生物酶并使用一些生化反应的新型分子生物计算方法。 
    北京大学信息科学与技术学院副研究员张成在接受“科技日报”采访时表示,它主要采用独特的双螺旋结构和DNA分子的碱基配对原理。计算。  
    具体的计算步骤是首先对工作人员要解决的问题进行编码,即将操作对象编码成DNA分子链的单链或双链;第二种是将编码的DNA分子链混合到生物酶溶液中以产生各种数据。 
    池;然后在生物酶的作用下,按照一定的规律,解决问题的过程被映射到DNA分子链的可控生化反应过程;最后,利用分子生物技术,如聚合酶链式反应等,获得最终的操作
    结果。  
    与电子计算操作不同,DNA计算是一个“湿实验”,这意味着大多数计算都是在液体中完成的。 
    张成告诉“科技日报”记者,在DNA计算环境中,如果要读取数据,就不如电子计算机那么方便。只需看一下电子屏幕,但需要通过凝胶电泳,荧光成像,原子力显微镜,透射电子显微镜。 
    生物分子检测技术得到了计算结果。  
    存储和计算能力远远超过传统方法  
    张成说,最大的优点是DNA计算在于其高度的并行性,即每条DNA的单链可以被视为计算设备,其内部的大规模链可以被视为计算机房,这是相当的。 
    数千台计算机同时运行。  
    这种高并行性极大地提高了操作速度。 
    例如,如果你想找一个从数亿人手中取钉的人,传统的电子计算机通常必须逐个筛选,直到找回目标为止。在DNA计算模式下,可以同时测试1018人。 
    计算速度令人印象深刻。 
    高并行性使DNA计算能够执行专门计算的大规模计算。 
    刘向荣说。  
    北京大学信息科学与技术学院教授徐进写道,一周DNA计算机的计算量相当于自所有电子计算机问世以来计算的总量。  
    除了高并行性外,DNA分子还具有大量存储功能,这是DNA计算的另一个优势。 
    张成指出,信息时代的数据量呈指数级增长,计算机芯片等组件的集成能力已经越来越接近瓶颈,迫切需要新的存储介质。  \\ n 
    作为信息的载体,DNA具有很大的存储容量。 
     1立方米DNA解决方案可存储1万亿个二进制数据,远远超过全球所有现有电子计算机的总存储量。  
    近年来,不仅许多科学家热衷于研究DNA存储,但一些公司也把注意力转向了这个领域。 
    微软研究院计划到2020年将DNA存储系统纳入数据中心,华为战略研究所也将存储DNA。
    该储备包含在未来的研发计划中。  
    此外,徐进还提到DNA计算机仅消耗电子计算机消耗的能量的十亿分之一来执行相同的操作。计算任务。  
     DNA计算技术可能需要20年时间才能着陆  
    哪里可以使用高计算机上的DNA计算?  
    在信息技术领域,基于DNA计算的强大计算能力,它有望应用于密码分析或超大规模信息处理等服务。 
    刘向荣说,现有密码系统安全可靠的原因并不是它不能被破译,而是因为破译时间太长,可能需要数百年的时间。 
    当现有的密码系统崩溃时,DNA计算有望将相同密码的破译时间缩短到几天甚至更短。  
    根据严怀智的说法,北京理工大学计算机科学学院副教授,生物医学也将成为DNA计算的主要应用场景之一。 
     DNA计算使计算机和人脑结合电子技术和生物技术成为可能。 
    可以想象使用DNA计算技术甚至可以植入人造生物芯片并直接在人体或细胞中运行计算机程序。 
     Yan Huaizhi说。  
    使用DNA计算技术,科学家们可以在细胞中植入DNA纳米机器人和分子电路来完成细胞功能调节。 
    例如,北京大学相关团队构建的各种DNA分子回路可以特异性识别某些肿瘤标志物,以实现快速诊断。 
    张成说。  
    此外,由于DNA分子链本身的微观性,可折叠性和高稳定性,DNA分子存储技术近年来受到广泛关注。 
    张成指出,科学家们通过分子编码成功地编纂了莎士比亚诗歌和马丁路德金的演讲等信息。 
     DNA硬盘将很快推出。  
    同时,专家们还表示,目前,DNA计算技术仍面临诸多挑战。  
    目前,学术界尚未找到用于检测DNA单分子的实时,高灵敏度的技术手段。 
     DNA操作结果信号通常是微量的DNA单分子。如何增强这种纳米级信号或增强单分子检测技术的能力需要进一步努力。 
    刘向荣指出。  
    只有新技术走出实验室才能体现其价值并使公众受益。 
    张成坦言,目前,DNA计算技术的研究还处于前沿基础研究领域,市值不够。 
    因此,我们不需要加强相关的应用研究来吸引市场关注。 
    张成说。  
    目前,DNA计算技术还有很长的路要走,可能还需要20年。 
    刘向荣推测。
     
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