導論期末論文——淺談生物計算機(福建工程學院)

1、福建工程學院導論學科期末論文題 目：淺談生物計算機學 生：梁*指導老師：陳慶強講師系 別：信息科學與工程學院專 業(yè)：計算機類班 級：計算機*學 號：*2013年12月21日目錄：摘要21現(xiàn)代計算機的發(fā)展瓶頸32生物計算機的由來及發(fā)展歷程33生物計算機的優(yōu)點44生物計算機的缺點45生物計算機擁有人工智能56生物計算機的現(xiàn)狀67結束語68致謝69附錄178摘要生物計算機又稱仿生計算機，是以生物芯片取代在半導體硅片上集成數以萬計的晶體管制成的計算機。它的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片。生物計算機芯片本身還具有并行處理的功能，其運算速度要比當今最新一代的計算機快10萬倍，

2、能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一，存儲信息的空間僅占百億億分之一。生物計算機的研究是理論計算機領域的一個重要分支，生物計算機的核心思想是用生化反應來模擬計算操作。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算機都是在體外進行的。體外計算機的優(yōu)點是設計簡單和易于實現(xiàn)；缺點是需要人工操作或設備的輔助，否則計算機的自動性無法的到實現(xiàn)，這樣的計算不但麻煩，而且沒有用生物體的自我調控機制來對計算進行控制，只是將生物分子作為數據載體和操作工具的計算機，如DNA計算機。如果能將計算置于生物體內,就可以利用生物自動性對計算進行控制。體內計算機的設計遠比體外計算機要復雜,這不僅因為對生物

3、體的體內環(huán)境知識的匾乏和對生物自身調控機制的不甚了解,而且也是對將計算植入生物體內所造成的對生物的影響估計不足。關鍵字：生物計算機，DNA計算機，高速，低能耗，仿生計算機。1現(xiàn)代計算機的發(fā)展瓶頸當今社會，MOS管制作技術已經發(fā)展到原子級，下一步應該是朝那個方向發(fā)展已經成為未知。加之現(xiàn)在的芯片制造技術，22納米、甚至18納米都已經開始投產，已然很接近分子固有大小，再進一步就要受到分子、原子本身大小的制約。因為電子漂移太嚴重，如今的CPU主頻已經不可能有太大的提升。晶體管的密度已近當前所用技術的理論極限。而另外一方面，隨著主頻的提升所帶來的高功耗和發(fā)展緩慢的電能儲存技術已成為大矛盾。另外，計算機的

4、處理速度在將來的某一天也勢必受到電能的限制。這種現(xiàn)狀，導致計算機的處理速度受到嚴重的限制，已然成為當今社會計算機發(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瓶頸，例如處于理論階段的量子計算機。要么，就要尋找新的計算機結構， 借鑒生物界的各種處理問題的方式，即所謂生物算法。也就是接下來要談到的生物計算機。 2生物計算機的由來及發(fā)展歷程人們驚嘆于錢鐘書先生超凡的記憶力。據說有人從圖書館隨便翻出什么古典文集來，錢鐘書都能準確無誤地復述其內容。20世紀的人，只能為之興嘆，稱之為天才；但是，生活在21世紀的人們就有可能與錢鐘書在記憶力上一試高低。這種可能性來自即將成為21世紀人類生活新伙伴的生

5、物計算機。目前以集成電路為基礎的傳統(tǒng)計算機已經快要發(fā)展到極限。計算機發(fā)展遵循的“摩爾定律”（每18個月芯片速度翻一番，價格降低一半）已經失效。生物技術與計算機技術聯(lián)姻的生物計算機成為計算機發(fā)展的一個新的突破口。生物計算機就是利用生物分子代替硅，實現(xiàn)更大規(guī)模的高度集成。20 世紀 80 年代, 美國、日本、前蘇聯(lián)等國家開始著手研制第六代計算機即生物計算機。早在 20 世紀70 年代, 人們就發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA) 處于不同狀態(tài)時可以代表“有信息”或“無信息”。于是, 科學家設想: 假若有機物的分子也具有這種“開”和“關”的功能, 那豈不可以把它們作為計算機的基本構件, 從而造出“有機物計算機

6、”嗎? 后來有科學家發(fā)現(xiàn), 一些半醌類有機化合物的分子具備“開”和“關”2 種電態(tài)功能, 可以把它當成一個開關?？茖W家們還進一步發(fā)現(xiàn),蛋白質分子中的氫也具備“開”和“關”2 種電態(tài)功能,因而也可以把一個蛋白質分子當成一個開關。這一系列發(fā)現(xiàn)激起了科學家們研制生物電子元件的靈感, 相繼有一些簡單的生物元件問世, 如生物開關元件、生物記憶元件等。從理論上說, 只要是用半醌類有機化合物的分子或蛋白質的分子作元件, 就能制造出“半醌型”或“蛋白質型”的計算機。由于有機物分子總是存在于生物體內, 所以人們把這種有機物計算機稱作“生物計算機”或“分子計算機”。目前, 生物計算機僅處于起步階段, 不論如何，生

7、物計算機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, 并向眾多領域提出了挑戰(zhàn)。要想真正進入實用階段還需要更多的時間和科學家更多的艱辛探索。但是, 生物計算機可能要改變計算機的未來, 在病理學和生物醫(yī)學應用領域以及其他領域將發(fā)揮極為重要的作用。生物計算機是以生物界處理問題的方式為模型的計算機。目前主要有: 生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、生物化學反應算法等幾種類型。3生物計算機的優(yōu)點生物計算機是人類在對計算形式多樣化探索道路上的額一個分支，與傳統(tǒng)的電子計算機，同樣處于理論研究階段的量子計算機等具有與眾不同的優(yōu)點。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特的立體化結構, 其密度要比平面型硅集成電路高 5 個數量級, 因此具有巨大的存儲能力。如體積為 1 m3的液體生物計算機, 存儲的信息比世界上所有計算機存儲的信息總和還要多, 而分子集成電路的密集度可以達到現(xiàn)有半導體超大規(guī)模集成電路的 10萬倍。在一平方毫米的面積上，可容納幾億個電路，比目前的集成電路小得多，用它制成的計算機，已經不像現(xiàn)在計算機的形狀了，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關速度比目前的硅半導體邏輯元件開關速度高出 1 000 倍以上。如果讓幾萬億個 DNA 分子在某種酶的作用下進行化學反應, 就能使生物計算機同時運行幾十億

9、次, 這就意味著運算速度要比當今最新一代超級計算機快十萬倍, 能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一。可靠性高當我們在運動中，不小心碰傷了身體，有的上點兒藥；有的年輕人甚至藥都不上，過幾天，傷口就愈合了。這是因為人體具有自我修復功能。同樣，由生物分子構成的分子集成電路( 生物芯片) 也同一般的生物體一樣, 具有“自我修復”的機能, 也就是說, 即便這種芯片出了點故障也無關大局, 它能夠慢慢地自動復過來, 達到“自我修復”。所以, 這種生物計算機的可靠性非常高, 經久耐用, 有“半永久性”。這對于目前的電子計算機來說, 簡直是一件不可思議的事情。仿生機制由于蛋白質分子能夠自我組合, 再生新的微型

10、電路, 使得生物計算機具有生物體的一些特點,比如能發(fā)揮生物本身的調節(jié)機能, 自動修復芯片發(fā)生的故障, 還能模仿人腦的思考機制。低功耗和抗干擾生物計算機的元件是由有機分子組成的生物化學元件，它們是利用化學反應工作的，所以；只需要很少的能量就可以工作，因此，不會像電子計算機那樣，工作一段時間后，機體會發(fā)熱，而生物計算機的電路間也沒有信號干擾。小結生物計算機一旦研制成功，可能會在計算機領域內引起一場劃時代的革命。生物計算機是以生物界處理問題的方式為模型的計算機。4生物計算機的缺點 生物計算機作為即將完善的新一代計算機，其優(yōu)點是十分明顯的。但它也有自身難以克服的缺點。其中最主要的便是從中提取信息困難。

11、一種生物計算機24小時就完成了人類迄今全部的計算量，但從中提取一個信息卻花費了1周。這也是目前生物計算機沒有大量推廣的最主要原因。5生物計算機擁有人工智能衡量計算機水平的主要指標是運算速度和存儲量。據有關分析測算，如果生物計算機研制成功，其運算速度將是目前傳統(tǒng)計算機根本無法比擬的，它幾十小時的運算量就相當于目前全球所有計算機運算量的總和。生物計算機的存儲量也將大得驚人?？茖W家采用有機的蛋白質分子構成的生物芯片代替由無機材料制作的硅芯片，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"門"電路，其開關速度達到10

12、5s。此外生物芯片具備的低阻抗、低能耗的性質使他們擺脫了傳統(tǒng)半導體元件散熱的困擾，從而克服了長期以來集成電路制作工藝復雜、電路因故障發(fā)熱熔化以及能量消耗大等弊端，給計算機的進一步發(fā)展開拓了廣闊的前景。更令人驚異的是，生物計算機的元件密度比人的神經密度還要高100萬倍，而且其傳遞信息的速度也比人腦進行思維的速度快100萬倍。它既快捷，又準確，可以直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴充部分，它能以從人體細胞吸收營養(yǎng)的方式來補充能量，而不需要外界的任何其他能量。 生物計算機具有較高的人工智能，它可以徹底實現(xiàn)現(xiàn)有計算機所無法真正實現(xiàn)的模糊推理功能和神經網絡運算功能，能夠如同人腦那樣進行思維、推理，能

13、認識文字、圖形，能理解人的語言，因而可以承擔各種工作，可廣泛應用于衛(wèi)星導航、工業(yè)控制領域和國防軍事領域，發(fā)揮它無比重要的作用。 不過，研究人員認為，由成千上萬個原子組成的生物大分子結構非常復雜，很容易失活、變質和受損；加之，目前生物計算還存在一些運行上的障礙，如：大規(guī)模操作的困難、非特異性吸附及復制過程出現(xiàn)錯誤的容錯能力較差等問題。因此，生物計算機的發(fā)展可能還需要經過一個較漫長的過程。6生物計算機的現(xiàn)狀生物計算機的設計是一項復雜和長期的研究，目前該研究處于起步階段，尤其是硬件設計，遠遠落后于理論模型研究。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(fā)達國家的研制熱潮。當前，美國、

14、日本、德國和俄羅斯的科學家正在積極開展生物芯片的開發(fā)研究。從1984年開始，日本每年用于研制生物計算機的科研投資為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際成果。這將會促使計算機、電子工程和生物工程這三個學科的專家通力合作，加快研究開發(fā)生物芯片。7結束語計算機工業(yè)在近幾十年內飛速發(fā)展，其速度令人瞠目。然而目前晶體管的密度已近當前所用技術的理論極限，我們勢必要找到一個新的突破來得以實現(xiàn)下一代計算機人工智能。而生物計算機具有內存大，體積小，計算速度快等特點，且生物計算機與人工智能直接相關聯(lián)。所以，發(fā)展生物計算機乃大勢所趨。8致謝感謝陳慶強老師辛苦的教導，讓我對計算機知識的有了大致的了解，對計算機相關技術也有了初步的感受，更重要的是，也對計算機相關技術產生了濃厚的興趣。文獻參考1中國工業(yè)生物技術信息網,生物芯片:未來應用如同電腦芯片E.2劉助仁，未來生物計算機探索J,1988.3王敏，引人矚目的生物計算機J,開發(fā)經驗，19944許進，DNA分子生物計算機與運籌學發(fā)展的心機遇D,2000.5曹來發(fā)，國內外芯片技術發(fā)展狀況J,科技情報開發(fā)與經濟，文章編號：1005-6033（2002）02-01