圖片來源@視覺中國(guó)
文 | 根新未來
眾所周知，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)使用的是硅芯片，但如今，在幾代計(jì)算機(jī)技術(shù)以后，科學(xué)家們已經(jīng)不再滿足于使用硅芯片的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)——科學(xué)家們開始研究如何在試管中培育出生物有機(jī)計(jì)算機(jī)，而這種由遺傳材料制成的生物晶體管的生物計(jì)算機(jī)，已經(jīng)是計(jì)算機(jī)家族的第六代。
1994年，南加州大學(xué)教授倫納德·阿德曼（LeonardAdleman）首次演示了DNA計(jì)算。僅僅使用DNA，阿德曼教授就解決了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的困難問題。在阿德曼進(jìn)行了這次實(shí)驗(yàn)以后，基于DNA的電子線路已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了布爾邏輯、算術(shù)計(jì)算以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算?，F(xiàn)在，這個(gè)被稱作分子編程的領(lǐng)域正在起飛，為計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)非凡的未來。
1965年，《電子》雜志在創(chuàng)刊35周年之際，邀請(qǐng)了時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾，為其撰寫一篇觀察評(píng)論，預(yù)測(cè)微芯片工業(yè)的前景。此時(shí)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才剛剛萌芽，英特爾公司都尚未成立，市面上生產(chǎn)和銷售的芯片更是屈指可數(shù)。摩爾根據(jù)有限的數(shù)據(jù)大膽提出了一條被后人奉為圭臬的路線圖——集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，微處理器的性能提高一倍，或價(jià)格下降一半。這就是大名鼎鼎的“摩爾定律”。
過去半個(gè)世紀(jì)里，“摩爾定律”為算力乃至生產(chǎn)力的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)也讓整個(gè)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全面的迭代和更新，成為了科技創(chuàng)新、乃至于經(jīng)濟(jì)學(xué)的定律。不管有多少爭(zhēng)議，毫無疑問的是，自從提出到現(xiàn)在50多年以來，摩爾定律一直都是半導(dǎo)體行業(yè)的金科玉律，指導(dǎo)著行業(yè)的發(fā)展。
1971年英特爾發(fā)布的第一個(gè)處理器4004，就采用10微米工藝生產(chǎn)，僅包含2300多個(gè)晶體管。隨后，晶體管的制程節(jié)點(diǎn)以0.7倍的速度遞減，90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm等等相繼被成功研制出來，現(xiàn)在，晶體管已經(jīng)在向5nm、3nm突破?；蛟S，就連摩爾本人都沒有想到，這個(gè)定律的效力是如此持久。
但在半導(dǎo)體行業(yè)高歌猛進(jìn)的同時(shí)，人們卻又清楚，這種增長(zhǎng)要無限地保持下去是不可能的。“增加一倍”的周期都是18個(gè)月，意味著每十年晶體管的數(shù)量要提高一百倍。這就是為什么半個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)家們也一直在考慮新型計(jì)算機(jī)模型的研制的原因——電子計(jì)算機(jī)的工藝制造技術(shù)終將達(dá)到極限。
在探索非傳統(tǒng)的新型計(jì)算機(jī)模型研究中，生物計(jì)算機(jī)受到了科學(xué)家們的關(guān)注。被稱為第六代計(jì)算機(jī)的生物計(jì)算機(jī)，其主要原材料是借助生物工程技術(shù)（特別是蛋白質(zhì)工程）生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子，以它作為生物集成電路——生物芯片。
在用蛋白質(zhì)工程技術(shù)生產(chǎn)的生物芯片中，信息以波的形式沿著蛋白質(zhì)分子鏈中單鍵、雙鍵結(jié)構(gòu)順序的改變來傳遞。蛋白質(zhì)分子比硅晶片上的電子元件要小得多，彼此相距甚近。因此，生物元件可小到幾十億分之一米，元件的密集度可達(dá)每平方厘米10～100萬億個(gè)，甚至1000萬億個(gè)門電路。
這就意味著，生物計(jì)算機(jī)每完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為目前硅集成電路計(jì)算機(jī)的萬分之一。事實(shí)也確實(shí)如此，生物計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算所需的時(shí)間僅為1×10-11秒，比人的思維速度還快100萬倍。
并且，與普通計(jì)算機(jī)不同的是，由于生物芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以，生物計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與生物活體結(jié)合。同時(shí)，生物芯片具有發(fā)熱少、功耗低、電路間無信號(hào)干擾等優(yōu)點(diǎn)。
我們已經(jīng)知道，生物計(jì)算機(jī)的計(jì)算則是指以生物大分子作為“數(shù)據(jù)”的計(jì)算模型，其中，又主要分為3種類型：蛋白質(zhì)計(jì)算、RNA計(jì)算和DNA計(jì)算。
蛋白質(zhì)計(jì)算模型的研究始于20世紀(jì)80年代中期，Conrad首先提出用蛋白質(zhì)作為計(jì)算器件的生物計(jì)算模型。1995年，Birge發(fā)現(xiàn)細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白分子具有良好的“二態(tài)性”，擬設(shè)計(jì)、制造一種蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)。隨后，Birge的同事，Syracuse大學(xué)的其他研究人員應(yīng)用原型蛋白質(zhì)制備出一種光電器件，它存貯信息的能力比目前電子計(jì)算機(jī)的存貯器高300倍，這種器件含細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白，利用激光束進(jìn)行信息寫入和讀取。
而不同于蛋白質(zhì)計(jì)算，RNA計(jì)算與DNA計(jì)算是利用生化反應(yīng)，更確切地講，是以核酸分子間的特異性雜交為機(jī)理的計(jì)算模型。不過，相較于RNA分子，DNA分子在實(shí)驗(yàn)操作上要更容易，而且在分子結(jié)構(gòu)上處理信息也更方便。
具體來看，DNA 計(jì)算是一種以 DNA 分子與相關(guān)的生物酶等作為基本材料，以生化反應(yīng)作為信息處理基本過程的一種計(jì)算模式。DNA計(jì)算模型首先由阿曼德博士于1994年提出，彼時(shí)，阿曼德發(fā)表了一篇論文，提出了用DNA計(jì)算的方式解決一個(gè)實(shí)際數(shù)學(xué)問題的技術(shù)。題目是：由14條單行道連接7座城市，找出上述全部城市的最近路徑，且不能走回頭路。
這是數(shù)學(xué)中的經(jīng)典難題。并且電子計(jì)算機(jī)無法解決，因?yàn)楫?dāng)城市數(shù)增加時(shí)，可能存在的連接路徑也會(huì)增加，且增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)超城市增長(zhǎng)速度。這會(huì)讓電子計(jì)算機(jī)無法應(yīng)付——因?yàn)樗业剿锌赡苈窂?，再分別比較找出最短路徑。
阿曼德的生物計(jì)算機(jī)也使用了類似的方式，但它的運(yùn)算速度卻要比電子計(jì)算機(jī)快。因?yàn)樵谟貌煌膲A基組合分子定義出路徑其中路徑編碼正好和城市編碼互補(bǔ)；再把這些分子和酶放進(jìn)試管，讓其自由組合，只需幾秒便可組合出答案，只不過是正確的和錯(cuò)誤的混在一起。
接下來，阿曼德花了7天把正確答案挑選出來。他先挑選出長(zhǎng)度符合的DNA鏈，從中篩選出包含第一個(gè)城市的DNA鏈，在從這些里篩選出包含第二座城市的DNA鏈，以此類推，經(jīng)過7次篩選后他最終獲得了這個(gè)問題的答案。雖然一開始的效率并不算，但畢竟證明了生物計(jì)算并不是空想。
可以看出，DNA計(jì)算機(jī)模型克服了電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量小與運(yùn)算速度慢這兩個(gè)嚴(yán)重的不足，首先，DNA作為信息的載體，其貯存的容量巨大， 1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ)1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前全球所有電子計(jì)算機(jī)的總儲(chǔ)存量；其次，具有高度的并行性，運(yùn)算速度快，一臺(tái)DNA計(jì)算機(jī)在一周的運(yùn)算量相當(dāng)于所有電子計(jì)算機(jī)問世以來的總運(yùn)算量；其三，DNA計(jì)算機(jī)所消耗的能量只占一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)完成同樣計(jì)算所消耗的能量的十億分之一；最后，合成的DNA分子具有一定的生物活性，特別是分子氫鍵之間的引力仍存在。這就確保DNA分子之間的特異性雜交功能。
可以說，DNA計(jì)算的每項(xiàng)突破性進(jìn)展，必將給人類社會(huì)的發(fā)展帶來不可估量的貢獻(xiàn)——以DNA計(jì)算模型為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的DNA計(jì)算機(jī)，必然會(huì)有海量的存儲(chǔ)能力及驚人的運(yùn)行速度。
當(dāng)前，關(guān)于生物計(jì)算機(jī)仍處在技術(shù)突破的階段。比如，麻省理工學(xué)院和新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)宣布了一項(xiàng)突破性的發(fā)現(xiàn)，利用一種有機(jī)病毒，他們已經(jīng)可以開發(fā)出更快、效率更高的生物有機(jī)計(jì)算機(jī)。哥倫比亞大學(xué)也宣布，他們已經(jīng)把一套完整的電腦操作系統(tǒng)存儲(chǔ)在一條DNA上。
而來自微軟和華盛頓大學(xué)的研究人員則展示了第一種可以被用來存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的完全自動(dòng)化的DNA系統(tǒng)。微軟的研究員卡琳·施特勞斯（Karin Strauss）表示，他們的最終目標(biāo)是把這樣一個(gè)系統(tǒng)投入生產(chǎn)，對(duì)終端用戶來講，這個(gè)系統(tǒng)在體驗(yàn)上將與其他任何的云存儲(chǔ)服務(wù)沒有什么區(qū)別。
要知道，一塊很小的DNA涂片可以容納10 000GB的數(shù)據(jù)，這意味著一座像購物中心那樣大的數(shù)據(jù)中心完全可以被縮小為一塊方糖般的大小。
而DNA又很便宜且很容易合成，用DNA進(jìn)行計(jì)算所需要的能量也遠(yuǎn)少于硅處理器。一座谷歌的數(shù)據(jù)中心每年可能需要消耗價(jià)值數(shù)百萬美元的能量，而一臺(tái)生物有機(jī)計(jì)算機(jī)可能只需要一些很便宜的代謝物就能夠運(yùn)行了。
除了利用DNA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)外，生物有機(jī)計(jì)算機(jī)還能夠在硅計(jì)算機(jī)無法操作的地方發(fā)揮潛在的作用。一支來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR基因編輯技術(shù)在人體的細(xì)胞內(nèi)搭建了一臺(tái)可運(yùn)作的雙核生物計(jì)算機(jī)。
試想一下，有一臺(tái)活的電腦在我們的身體內(nèi)，監(jiān)控我們的健康狀況，修補(bǔ)損壞的組織，并且調(diào)節(jié)我們的身體功能。我們甚至可能會(huì)利用生物有機(jī)計(jì)算機(jī)來提升我們的智能。DNA計(jì)算機(jī)還可以與生物化學(xué)環(huán)境進(jìn)行相互作用，從而使我們可以在活的生物組織內(nèi)部提供藥物和治療。
事實(shí)上，以色列的研究人員已經(jīng)邁出了下一步，他們?cè)隗氲捏w內(nèi)成功搭建了生物電路。他們創(chuàng)造出來的DNA可以像日本的折紙一樣折疊在一起，這就使得納米機(jī)器人可以運(yùn)送一些有效的負(fù)荷。那些有效的負(fù)荷很可能是一個(gè)分子、一種酶或者一種抗體。而每一種有效的負(fù)荷都可以激活或者關(guān)停在整個(gè)鏈條上的下一個(gè)納米機(jī)器人，就這樣他們?cè)诨畹募?xì)胞體內(nèi)構(gòu)建出一條電路。
這樣的生物電路可以被用在很多方面，比如在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家就利用了這種生物電路來識(shí)別某些細(xì)胞是不是癌細(xì)胞，然后他們又向癌細(xì)胞發(fā)送了一個(gè)自我毀滅的信號(hào)。在將來，類似的生物計(jì)算設(shè)備可能會(huì)被用來對(duì)腫瘤的發(fā)展進(jìn)行無創(chuàng)監(jiān)控，同時(shí)還可以對(duì)特定的部位進(jìn)行靶向藥物的給藥。
不過，雖然有這樣的優(yōu)勢(shì)，但是也許還需要很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)看到生物計(jì)算機(jī)擺上我們的桌面。這些研究目前還僅僅處在一條漫長(zhǎng)道路的開端，好在隨著相關(guān)科學(xué)的成熟，生物有機(jī)計(jì)算機(jī)依然在向著成為一種通用計(jì)算機(jī)而努力，并且逐漸發(fā)展出更多適合生物有機(jī)計(jì)算機(jī)能力的獨(dú)特應(yīng)用。
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