导论期末论文——浅谈生物计算机(福建工程学院)

福建学院 导论学科期末论文 题 目： 浅谈生物计算机     学    生：梁** 指导老师：陈庆强讲师 系    别：信息科学与工程学院 专    业：计算机类 班    级：计算机**** 学    号：************ 2013年12月21日 ： 摘要    2 [1]现代计算机的发展瓶颈    3 [2]生物计算机的由来及发展历程    3 [3]生物计算机的优点    4 [4]生物计算机的缺点    4 [5]生物计算机拥有人工智能    5 [6]生物计算机的现状    6 [7]结束语    6 [8]致谢    6 [9]附录1    7 摘要 生物计算机又称仿生计算机，是以生物芯片取代在半导体硅片上集成数以万计的晶体管制成的计算机。它的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，存储信息的空间仅占百亿亿分之一。 生物计算机的研究是理论计算机领域的一个重要分支，生物计算机的核心思想是用生化反应来模拟计算操作。依托生物分子尤其是DNA分子的大规模并行。 目前几乎所有的生物计算机都是在体外进行的。体外计算机的优点是设计简单和易于实现；缺点是需要人工操作或设备的辅助，否则计算机的自动性无法的到实现，这样的计算不但麻烦，而且没有用生物体的自我调控机制来对计算进行控制，只是将生物分子作为数据载体和操作工具的计算机，如DNA计算机。 如果能将计算置于生物体内,就可以利用生物自动性对计算进行控制。体内 计算机的设计远比体外计算机要复杂,这不仅因为对生物体的体内环境知识的匾 乏和对生物自身调控机制的不甚了解,而且也是对将计算植入生物体内所造成的 对生物的影响估计不足。 关键字：生物计算机，DNA计算机，高速，低能耗，仿生计算机。 [1]现代计算机的发展瓶颈 当今社会，MOS管制作技术已经发展到原子级，下一步应该是朝那个方向发展已经成为未知。加之现在的芯片制造技术，22纳米、甚至18纳米都已经开始投产，已然很接近分子固有大小，再进一步就要受到分子、原子本身大小的制约。因为电子漂移太严重，如今的CPU主频已经不可能有太大的提升。晶体管的密度已近当前所用技术的理论极限。 而另外一方面，随着主频的提升所带来的高功耗和发展缓慢的电能储存技术已成为大矛盾。另外，计算机的处理速度在将来的某一天也势必受到电能的限制。 这种现状，导致计算机的处理速度受到严重的限制，已然成为当今社会计算机发展最大的瓶颈，要想继续发展，要么克服原子本身大小这个瓶颈，例如处于理论阶段的量子计算机。要么，就要寻找新的计算机结构， 借鉴生物界的各种处理问题的方式，即所谓生物算法。也就是接下来要谈到的——生物计算机。 [2]生物计算机的由来及发展历程 人们惊叹于钱钟书先生超凡的记忆力。据说有人从图书馆随便翻出什么古典文集来，钱钟书都能准确无误地复述其内容。20世纪的人，只能为之兴叹，称之为天才；但是，生活在21世纪的人们就有可能与钱钟书在记忆力上一试高低。这种可能性来自即将成为21世纪人类生活新伙伴的生物计算机。 目前以集成电路为基础的传统计算机已经快要发展到极限。计算机发展遵循的“摩尔定律”（每18个月芯片速度翻一番，价格降低一半）已经失效。生物技术与计算机技术联姻的生物计算机成为计算机发展的一个新的突破口。生物计算机就是利用生物分子代替硅，实现更大规模的高度集成。 20 世纪 80 年代, 美国、日本、前苏联等国家开始着手研制第六代计算机即生物计算机。早在 20 世纪70 年代, 人们就发现脱氧核糖核酸(DNA) 处于不同状态时可以代表“有信息”或“无信息”。于是, 科学家设想: 假若有机物的分子也具有这种“开”和“关”的功能, 那岂不可以把它们作为计算机的基本构件, 从而造出“有机物计算机”吗? 后来有科学家发现, 一些半醌类有机化合物的分子具备“开”和“关”2 种电态功能, 可以把它当成一个开关。科学家们还进一步发现,蛋白质分子中的氢也具备“开”和“关”2 种电态功能,因而也可以把一个蛋白质分子当成一个开关。这一系列发现激起了科学家们研制生物电子元件的灵感, 相继有一些简单的生物元件问世, 如生物开关元件、生物记忆元件等。从理论上说, 只要是用半醌类有机化合物的分子或蛋白质的分子作元件, 就能制造出“半醌型”或“蛋白质型”的计算机。由于有机物分子总是存在于生物体内, 所以人们把这种有机物计算机称作“生物计算机”或“分子计算机”。 目前, 生物计算机仅处于起步阶段, 不论如何，生物计算机的提出拓宽了人们的视野, 启发人们用算法的观念研究生命, 并向众多领域提出了挑战。要想真正进入实用阶段还需要更多的时间和科学家更多的艰辛探索。但是, 生物计算机可能要改变计算机的未来, 在病理学和生物医学应用领域以及其他领域将发挥极为重要的作用。生物计算机是以生物界处理问题的方式为模型的计算机。目前主要有: 生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、生物化学反应算法等几种类型。 [3]生物计算机的优点 生物计算机是人类在对计算形式多样化探索道路上的额一个分支，与传统的电子计算机 ，同样处于理论研究阶段的量子计算机等具有与众不同的优点。 密集度高 由于 DNA 生物电子元件比硅芯片上的电子元件要小很多, 而且生物芯片本身具有天然独特的立体化结构, 其密度要比平面型硅集成电路高 5 个数量级, 因此具有巨大的存储能力。如体积为 1 m3的液体生物计算机, 存储的信息比世界上所有计算机存储的信息总和还要多, 而分子集成电路的密集度可以达到现有半导体超大规模集成电路的 10万倍。在一平方毫米的面积上，可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多，用它制成的计算机，已经不像现在计算机的形状了，可以隐藏在桌角、墙壁或地板等地方。 速度快 分子逻辑元件的开关速度比目前的硅半导体逻辑元件开关速度高出 1 000 倍以上。如果让几万亿个 DNA 分子在某种酶的作用下进行化学反应, 就能使生物计算机同时运行几十亿次, 这就意味着运算速度要比当今最新一代超级计算机快十万倍, 能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。 可靠性高 当我们在运动中，不小心碰伤了身体，有的上点儿药；有的年轻人甚至药都不上，过几天，伤口就愈合了。这是因为人体具有自我修复功能。同样，由生物分子构成的分子集成电路( 生物芯片) 也同一般的生物体一样, 具有“自我修复”的机能, 也就是说, 即便这种芯片出了点故障也无关大局, 它能够慢慢地自动复过来, 达到“自我修复”。所以, 这种生物计算机的可靠性非常高, 经久耐用, 有“半永久性”。这对于目前的电子计算机来说, 简直是一件不可思议的事情。 仿生机制 由于蛋白质分子能够自我组合, 再生新的微型电路, 使得生物计算机具有生物体的一些特点,比如能发挥生物本身的调节机能, 自动修复芯片发生 的故障, 还能模仿人脑的思考机制。 低功耗和抗干扰 生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以；只需要很少的能量就可以工作，因此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而生物计算机的电路间也没有信号干扰。 小结 生物计算机一旦研制成功，可能会在计算机领域内引起一场划时代的革命。 生物计算机是以生物界处理问题的方式为模型的计算机。 [4]生物计算机的缺点 生物计算机作为即将完善的新一代计算机，其优点是十分明显的。但它也有自身难以克服的缺点。其中最主要的便是从中提取信息困难。一种生物计算机24小时就完成了人类迄今全部的计算量，但从中提取一个信息却花费了1周。这也是目前生物计算机没有大量推广的最主要原因。 [5]生物计算机拥有人工智能 衡量计算机水平的主要指标是运算速度和存储量。据有关测算，如果生物计算机研制成功，其运算速度将是目前传统计算机根本无法比拟的，它几十小时的运算量就相当于目前全球所有计算机运算量的总和。生物计算机的存储量也将大得惊人。科学家采用有机的蛋白质分子构成的生物芯片代替由无机材料制作的硅芯片，其大小仅为现在所用的硅芯片的十万分之一，而集成度却极大地提高，如用血红素制成的生物芯片，1mm2能容纳10亿个"门"电路，其开关速度达到10－5Μs。此外生物芯片具备的低阻抗、低能耗的性质使他们摆脱了传统半导体元件散热的困扰，从而克服了长期以来集成电路制作工艺复杂、电路因故障发热熔化以及能量消耗大等弊端，给计算机的进一步发展开拓了广阔的前景。更令人惊异的是，生物计算机的元件密度比人的神经密度还要高100万倍，而且其传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快100万倍。它既快捷，又准确，可以直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，它能以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量，而不需要外界的任何其他能量。 生物计算机具有较高的人工智能，它可以彻底实现现有计算机所无法真正实现的模糊推理功能和神经网络运算功能，能够如同人脑那样进行思维、推理，能认识文字、图形，能理解人的语言，因而可以承担各种工作，可广泛应用于卫星导航、工业控制领域和国防军事领域，发挥它无比重要的作用。 不过，研究人员认为，由成千上万个原子组成的生物大分子结构非常复杂，很容易失活、变质和受损；加之，目前生物计算还存在一些运行上的障碍，如：大规模操作的困难、非特异性吸附及复制过程出现错误的容错能力较差等问题。因此，生物计算机的发展可能还需要经过一个较漫长的过程。 [6]生物计算机的现状 生物计算机的设计是一项复杂和长期的研究，目前该研究处于起步阶段，尤其是硬件设计，远远落后于理论模型研究。1983年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了发达国家的研制热潮。当前，美国、日本、德国和俄罗斯的科学家正在积极开展生物芯片的开发研究。从1984年开始，日本每年用于研制生物计算机的科研投资为86亿日元。目前，生物芯片仍处于研制阶段，但在生物元件，特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果。这将会促使计算机、电子工程和生物工程这三个学科的专家通力合作，加快研究开发生物芯片。 [7]结束语 计算机工业在近几十年内飞速发展，其速度令人瞠目。然而目前晶体管的密度已近当前所用技术的理论极限，我们势必要找到一个新的突破来得以实现下一代计算机——人工智能。而生物计算机具有内存大，体积小，计算速度快等特点，且生物计算机与人工智能直接相关联。所以，发展生物计算机乃大势所趋。 [8]致谢 感谢陈庆强老师辛苦的教导，让我对计算机知识的有了大致的了解，对计算机相关技术也有了初步的感受，更重要的是，也对计算机相关技术产生了浓厚的兴趣。 文献参考 [1]中国工业生物技术信息网,生物芯片:未来应用如同电脑芯片[E]. [2]刘助仁，未来生物计算机探索[J],1988. [3]王敏，引人瞩目的生物计算机[J],开发经验，1994 [4]许进，DNA分子生物计算机与运筹学发展的心机遇[D],2000. [5]曹来发，国内外芯片技术发展状况[J],科技情报开发与经济，文章编号：1005-6033（2002） 02-0112-01 [6]吴龙生，生物芯片与生物计算机[J],现代通信，2002. [7]吕红兵，“细菌—噬菌体“联合生物计算机的研究[D],浙江大学, 2005. [8]顾大鹏、孙野青，DNA分子计算机研究现状[D],哈尔滨工业大学,2005. [9]夏晶，DNA计算[M],华东师范大学生命科学学院，上海,200062. [10]殷海滨，第六代计算机——生物计算机[J],山东省无棣市柳堡中学,2007. [11]常红，生物计算机[J],科技新视野，2008.10. [9]附录1 细胞做成的“Cpu”[图片] 黄色黏菌或能成为新一代生物计算机[图片]