如今，無(wú)論在生活還是在工作中，我們都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)的幫忙。然而，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，目前電子計(jì)算的并行運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力面臨發(fā)展瓶頸，科學(xué)家開(kāi)始尋找新的計(jì)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(jì)算機(jī)，其有望完成多重計(jì)算任務(wù)，相關(guān)成果刊登在《自然》雜志上。

那么，DNA計(jì)算機(jī)的原理是什么？與傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)相比它有哪些優(yōu)勢(shì)？科技日?qǐng)?bào)記者帶著這些問(wèn)題，采訪了相關(guān)專家。

電子芯片發(fā)展遭遇物理極限

在介紹“大神”DNA計(jì)算機(jī)前，我們要先講講它的“前輩”——電子計(jì)算機(jī)。

別看電子計(jì)算機(jī)能為我們解決很多難題，但對(duì)于一些難度較大的數(shù)學(xué)問(wèn)題，它也束手無(wú)策。例如，哈密爾敦路徑問(wèn)題，即假定存在多座城市，計(jì)算機(jī)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(shí)，電子計(jì)算機(jī)或許能在短時(shí)間內(nèi)給出答案，但當(dāng)城市數(shù)量多至100個(gè)時(shí)，電子計(jì)算機(jī)就會(huì)“忙不過(guò)來(lái)”，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(huì)遇到這類(lèi)“燒腦”難題，但在大數(shù)據(jù)時(shí)代，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的激增，大體量計(jì)算任務(wù)也會(huì)隨之增多。

“如今，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的算力逐漸接近‘天花板’，未來(lái)可能無(wú)法滿足巨大的計(jì)算需求�！� 廈門(mén)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(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，其內(nèi)部電路的集成度會(huì)越來(lái)越高，芯片上的晶體管也會(huì)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(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。比如，電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將穿過(guò)晶體管壁，“亂成一鍋粥”，無(wú)法再形成穩(wěn)定有序的電路，致使計(jì)算無(wú)法正常進(jìn)行。

“按照摩爾定律的說(shuō)法，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目每隔約18到24個(gè)月便會(huì)增加一倍�！眲⑾驑s說(shuō)。

不過(guò)隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，摩爾定律也逐漸遇到了物理法則的限制。目前，晶體管的體積已達(dá)到納米級(jí)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(kāi)始尋找能力更強(qiáng)大的、可突破目前電子計(jì)算機(jī)瓶頸的下一代計(jì)算機(jī)。

利用生化反應(yīng)在液體里進(jìn)行計(jì)算

科學(xué)家將目光投向了生物領(lǐng)域，在那里尋找“后補(bǔ)選手”。

1994年，圖靈獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)科學(xué)家阿德拉曼提出基于生物化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的DNA計(jì)算模型，推開(kāi)了DNA計(jì)算的大門(mén)。

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

“DNA計(jì)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(jì)算的一種新型的分子生物計(jì)算方法。”北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副研究員張成在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)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(bǔ)配對(duì)原則進(jìn)行計(jì)算。

其具體的計(jì)算步驟為，首先工作人員對(duì)待解決的問(wèn)題進(jìn)行編碼，即將運(yùn)算對(duì)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(wèn)題的過(guò)程映射成DNA分子鏈的可控生化反應(yīng)的過(guò)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(yùn)算結(jié)果。

“與電子計(jì)算的操作不同，DNA計(jì)算屬于‘濕實(shí)驗(yàn)’，即大部分運(yùn)算都在液體里進(jìn)行�！睆埑筛嬖V科技日?qǐng)?bào)記者，在DNA計(jì)算環(huán)境下，要想讀取數(shù)據(jù)，可不像電子計(jì)算機(jī)這么方便，看一眼電子屏幕就成了，而是需要通過(guò)凝膠電泳、熒光成像、原子力顯微鏡、透射電鏡等生物分子檢測(cè)技術(shù)獲得計(jì)算結(jié)果。