導(dǎo)論期末論文——淺談生物計(jì)算機(jī)(福建工程學(xué)院)(共10頁)

1、福建工程學(xué)院導(dǎo)論(do ln)學(xué)科期末(q m)論文題 目：淺談生物計(jì)算機(jī)學(xué) 生：梁*指導(dǎo)老師：陳慶強(qiáng)講師(jingsh)系 別：信息科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè)：計(jì)算機(jī)類班 級：計(jì)算機(jī)*學(xué) 號：*2013年12月21日 PAGE 13目錄(ml)： TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc375672505 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc375672505 h 2 HYPERLINK l _Toc375672506 1現(xiàn)代(xindi)計(jì)算機(jī)的發(fā)展瓶頸 PAGEREF _Toc375672506 h 3 HYPERLINK l _Toc375672507 2生物

2、計(jì)算機(jī)的由來及發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc375672507 h 3 HYPERLINK l _Toc375672508 3生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn) PAGEREF _Toc375672508 h 4 HYPERLINK l _Toc375672509 4生物計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn) PAGEREF _Toc375672509 h 4 HYPERLINK l _Toc375672510 5生物計(jì)算機(jī)擁有人工智能 PAGEREF _Toc375672510 h 5 HYPERLINK l _Toc375672511 6生物計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc375672511 h 6 HYPERLINK l

3、 _Toc375672512 7結(jié)束語 PAGEREF _Toc375672512 h 6 HYPERLINK l _Toc375672513 8致謝 PAGEREF _Toc375672513 h 6 HYPERLINK l _Toc375672514 9附錄1 PAGEREF _Toc375672514 h 7摘要(zhiyo)生物計(jì)算機(jī)又稱仿生計(jì)算機(jī)，是以生物芯片取代在半導(dǎo)體硅片上集成(j chn)數(shù)以萬計(jì)的晶體管制成的計(jì)算機(jī)。它的主要原材料是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。生物計(jì)算機(jī)芯片本身還具有并行處理的功能，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代的計(jì)算機(jī)快10萬倍，能量消耗僅

4、相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十億分之一，存儲信息的空間僅占百億億分之一。生物計(jì)算機(jī)的研究是理論計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個重要分支，生物計(jì)算機(jī)的核心思想是用生化反應(yīng)來模擬計(jì)算操作(cozu)。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(jì)算機(jī)都是在體外進(jìn)行的。體外計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單和易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是需要人工操作或設(shè)備的輔助，否則計(jì)算機(jī)的自動性無法的到實(shí)現(xiàn)，這樣的計(jì)算不但麻煩，而且沒有用生物體的自我調(diào)控機(jī)制來對計(jì)算進(jìn)行控制，只是將生物分子作為數(shù)據(jù)載體和操作工具的計(jì)算機(jī)，如DNA計(jì)算機(jī)。如果能將計(jì)算置于生物體內(nèi),就可以利用生物自動性對計(jì)算進(jìn)行控制。體內(nèi)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比體外計(jì)算機(jī)要復(fù)雜,這不僅因?yàn)閷ι?/p>

5、物體的體內(nèi)環(huán)境知識的匾乏和對生物自身調(diào)控機(jī)制的不甚了解,而且也是對將計(jì)算植入生物體內(nèi)所造成的對生物的影響估計(jì)不足。關(guān)鍵字：生物計(jì)算機(jī)，DNA計(jì)算機(jī)，高速，低能耗，仿生計(jì)算機(jī)。1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展(fzhn)瓶頸當(dāng)今社會，MOS管制作技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到原子級，下一步(y b)應(yīng)該是朝那個方向發(fā)展已經(jīng)成為未知。加之現(xiàn)在的芯片制造技術(shù)，22納米(n m)、甚至18納米都已經(jīng)開始投產(chǎn)，已然很接近分子固有大小，再進(jìn)一步就要受到分子、原子本身大小的制約。因?yàn)殡娮悠铺珖?yán)重，如今的CPU主頻已經(jīng)不可能有太大的提升。晶體管的密度已近當(dāng)前所用技術(shù)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

6、存技術(shù)已成為大矛盾。另外，計(jì)算機(jī)的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(dǎo)致計(jì)算機(jī)的處理速度受到嚴(yán)重的限制，已然成為當(dāng)今社會計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。要么，就要尋找新的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)， 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(jì)算機(jī)。 2生物計(jì)算機(jī)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(jù)說有人從圖書館隨便翻出什么古典文集來，錢鐘書都能準(zhǔn)確無誤地復(fù)述其內(nèi)容。20世紀(jì)的人，只能為之興嘆，稱之為天才；但是，生活在21世紀(jì)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

7、即將成為21世紀(jì)人類生活新伙伴的生物計(jì)算機(jī)。目前以集成電路為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)快要發(fā)展到極限。計(jì)算機(jī)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(jīng)失效。生物技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)姻的生物計(jì)算機(jī)成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個新的突破口。生物計(jì)算機(jī)就是利用生物分子代替硅，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的高度集成。20 世紀(jì) 80 年代, 美國、日本、前蘇聯(lián)等國家開始著手研制第六代計(jì)算機(jī)即生物計(jì)算機(jī)。早在 20 世紀(jì)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(xué)家設(shè)想: 假若有機(jī)物的分子也具有這種“開”和“關(guān)”的功能, 那豈不可以把它們作為計(jì)算機(jī)的

8、基本構(gòu)件, 從而造出“有機(jī)物計(jì)算機(jī)”嗎? 后來有科學(xué)家發(fā)現(xiàn), 一些半醌類有機(jī)化合物的分子具備“開”和“關(guān)”2 種電態(tài)功能, 可以把它當(dāng)成一個開關(guān)?？茖W(xué)家們還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)分子中的氫也具備“開”和“關(guān)”2 種電態(tài)功能,因而也可以把一個蛋白質(zhì)分子當(dāng)成一個開關(guān)。這一系列發(fā)現(xiàn)激起了科學(xué)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(guān)元件、生物記憶元件等。從理論上說, 只要是用半醌類有機(jī)化合物的分子或蛋白質(zhì)的分子作元件, 就能制造出“半醌型”或“蛋白質(zhì)型”的計(jì)算機(jī)。由于有機(jī)物分子總是存在于生物體內(nèi), 所以人們把這種有機(jī)物計(jì)算機(jī)稱作“生物計(jì)算機(jī)”或“分子計(jì)算機(jī)”。目前, 生物計(jì)

9、算機(jī)僅處于起步階段, 不論如何，生物計(jì)算機(jī)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(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。要想真正進(jìn)入實(shí)用階段還需要更多的時間和科學(xué)家更多的艱辛探索。但是, 生物計(jì)算機(jī)可能要改變計(jì)算機(jī)的未來, 在病理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域?qū)l(fā)揮極為重要的作用。生物計(jì)算機(jī)是以生物界處理問題(wnt)的方式為模型的計(jì)算機(jī)。目前主要有: 生物分子或超分子芯片、自動機(jī)模型、仿生算法、生物化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。3生物(shngw)計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)(yudin)生物計(jì)算機(jī)是人類在對計(jì)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(jì)算機(jī)，同樣處于理論研究階段的量子計(jì)算機(jī)等具有與眾

10、不同的優(yōu)點(diǎn)。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多, 而且生物芯片本身具有天然獨(dú)特的立體化結(jié)構(gòu), 其密度要比平面型硅集成電路高 5 個數(shù)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(jì)算機(jī), 存儲的信息比世界上所有計(jì)算機(jī)存儲的信息總和還要多, 而分子集成電路的密集度可以達(dá)到現(xiàn)有半導(dǎo)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(jì)算機(jī)，已經(jīng)不像現(xiàn)在計(jì)算機(jī)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(guān)速度比目前的硅半導(dǎo)體邏輯元件開關(guān)速度高出 1 000 倍以上。如果讓幾萬億個 D

11、NA 分子在某種酶的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng), 就能使生物計(jì)算機(jī)同時運(yùn)行幾十億次, 這就意味著運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代超級計(jì)算機(jī)快十萬倍, 能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十億分之一?？煽啃愿弋?dāng)我們在運(yùn)動中，不小心碰傷了身體，有的上點(diǎn)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?yàn)槿梭w具有自我修復(fù)功能。同樣，由生物分子構(gòu)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(fù)”的機(jī)能, 也就是說, 即便這種芯片出了點(diǎn)故障也無關(guān)大局, 它能夠慢慢地自動復(fù)過來, 達(dá)到“自我修復(fù)”。所以, 這種生物計(jì)算機(jī)的可靠性非常高, 經(jīng)久耐用, 有“半永久性”。這對于目前的電子計(jì)算機(jī)來說, 簡直

12、是一件不可思議的事情。仿生機(jī)制由于蛋白質(zhì)分子(fnz)能夠自我組合, 再生新的微型電路, 使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn),比如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能, 自動修復(fù)芯片發(fā)生的故障, 還能模仿人腦的思考(sko)機(jī)制。低功耗和抗干擾生物(shngw)計(jì)算機(jī)的元件是由有機(jī)分子組成的生物化學(xué)元件，它們是利用化學(xué)反應(yīng)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(jì)算機(jī)那樣，工作一段時間后，機(jī)體會發(fā)熱，而生物計(jì)算機(jī)的電路間也沒有信號干擾。小結(jié)生物計(jì)算機(jī)一旦研制成功，可能會在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)引起一場劃時代的革命。生物計(jì)算機(jī)是以生物界處理問題的方式為模型的計(jì)算機(jī)。4生物計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn) 生物計(jì)算機(jī)作為

13、即將完善的新一代計(jì)算機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的。但它也有自身難以克服的缺點(diǎn)。其中最主要的便是從中提取信息困難。一種生物計(jì)算機(jī)24小時就完成了人類迄今全部的計(jì)算量，但從中提取一個信息卻花費(fèi)了1周。這也是目前生物計(jì)算機(jī)沒有大量推廣的最主要原因。5生物計(jì)算機(jī)擁有人工智能衡量計(jì)算機(jī)水平的主要指標(biāo)是運(yùn)算速度和存儲量。據(jù)有關(guān)分析測算，如果生物計(jì)算機(jī)研制成功，其運(yùn)算速度將是目前傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)根本無法比擬的，它幾十小時的運(yùn)算量就相當(dāng)于目前全球所有計(jì)算機(jī)運(yùn)算量的總和。生物計(jì)算機(jī)的存儲量也將大得驚人。科學(xué)家采用有機(jī)的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的生物芯片代替由無機(jī)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

14、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(guān)速度達(dá)到105s。此外生物芯片具備的低阻抗、低能耗的性質(zhì)使他們擺脫了傳統(tǒng)半導(dǎo)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(fù)雜、電路因故障發(fā)熱熔化以及能量消耗大等弊端，給計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展開拓了廣闊的前景。更令人驚異的是，生物計(jì)算機(jī)的元件密度比人的神經(jīng)密度還要高100萬倍，而且其傳遞信息的速度也比人腦進(jìn)行思維的速度快100萬倍。它既快捷，又準(zhǔn)確，可以直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴(kuò)充部分，它能以從人體細(xì)胞吸收營養(yǎng)的方式來補(bǔ)充能量，而不需要外界的任何其他能量。 生物計(jì)算機(jī)具有較高的人工智能，它可以徹底實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)

15、所無法真正實(shí)現(xiàn)的模糊推理功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算功能，能夠如同人腦那樣進(jìn)行思維、推理，能認(rèn)識文字、圖形，能理解人的語言，因而可以承擔(dān)各種工作，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航、工業(yè)控制領(lǐng)域和國防軍事領(lǐng)域，發(fā)揮它無比重要的作用。 不過，研究人員認(rèn)為，由成千上萬個原子組成的生物大分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很容易失活、變質(zhì)和受損；加之，目前生物計(jì)算還存在一些運(yùn)行上的障礙，如：大規(guī)模操作的困難、非特異性吸附及復(fù)制過程出現(xiàn)錯誤的容錯能力較差等問題。因此，生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展可能還需要經(jīng)過一個較漫長的過程。6生物(shngw)計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀(xinzhung)生物(shngw)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜和長期的研究，目前該研究處于起步階段，

16、尤其是硬件設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論模型研究。1983年，美國公布了研制生物計(jì)算機(jī)的設(shè)想之后，立即激起了發(fā)達(dá)國家的研制熱潮。當(dāng)前，美國、日本、德國和俄羅斯的科學(xué)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(jì)算機(jī)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(shí)際成果。這將會促使計(jì)算機(jī)、電子工程和生物工程這三個學(xué)科的專家通力合作，加快研究開發(fā)生物芯片。7結(jié)束語計(jì)算機(jī)工業(yè)在近幾十年內(nèi)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(dāng)前所用技術(shù)的理論極限，我們勢必要找到一個新的突破來得以實(shí)現(xiàn)下一代計(jì)算機(jī)人工智能。而生物

17、計(jì)算機(jī)具有內(nèi)存大，體積小，計(jì)算速度快等特點(diǎn)，且生物計(jì)算機(jī)與人工智能直接相關(guān)聯(lián)。所以，發(fā)展生物計(jì)算機(jī)乃大勢所趨。8致謝感謝陳慶強(qiáng)老師辛苦的教導(dǎo)，讓我對計(jì)算機(jī)知識的有了大致的了解，對計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)也有了初步的感受，更重要的是，也對計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。文獻(xiàn)參考1中國工業(yè)(gngy)生物技術(shù)信息網(wǎng),生物芯片:未來(wili)應(yīng)用如同電腦芯片E.2劉助仁，未來(wili)生物計(jì)算機(jī)探索J,1988.3王敏，引人矚目的生物計(jì)算機(jī)J,開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，19944許進(jìn)，DNA分子生物計(jì)算機(jī)與運(yùn)籌學(xué)發(fā)展的心機(jī)遇D,2000.5曹來發(fā)，國內(nèi)外芯片技術(shù)發(fā)展?fàn)顩rJ,科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，文章編號：1005-6033（2002）02-0112-016吳龍生，生物芯片與生物計(jì)算機(jī)J,現(xiàn)代通信，2002.7呂紅兵，“細(xì)菌噬菌體“聯(lián)合生物計(jì)算機(jī)的研究D,浙