新加坡南洋理工大學(xué)舒建軍教授在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters ）發(fā)表了他的最新研究成果,，稱他的團(tuán)隊(duì)提出了一種通過操縱DNA鏈能解決基于DNA計(jì)算的戰(zhàn)略分配問題,。他同時(shí)也宣稱,，“我們團(tuán)隊(duì)在DNA計(jì)算領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)步,，期望未來取得更大的進(jìn)步,，DNA是計(jì)算的未來,。”
舒教授表示,，人體就像一臺計(jì)算機(jī),，每時(shí)每刻都在進(jìn)行計(jì)算,，比最快的硅芯片超級計(jì)算機(jī)都要快得多。而硅芯片計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制計(jì)算,，產(chǎn)生大量的熱量,，十分不利于環(huán)保。
在處理戰(zhàn)略分配問題方面,，隨著硅計(jì)算的發(fā)展,，即使是運(yùn)算最快的硅芯片計(jì)算機(jī)在處理戰(zhàn)略分配問題上仍需要花費(fèi)數(shù)月，而基于DNA計(jì)算則被證明是高效的,。利用基于DNA的計(jì)算方式能夠更高效率地解決大量平行問題,、組合問題以及人工智能問題。而且DNA計(jì)算機(jī)所用的DNA生物芯片比硅芯片更環(huán)保,。
舒教授表示,，硅計(jì)算依靠二進(jìn)制，即1和0,。而通過DNA計(jì)算,，除了1和0以外，你還可以做的更多,。DNA由AGTC四種堿基組成,，這可以形成更多的排列,。DNA計(jì)算將有潛力處理模糊數(shù)據(jù)，超越數(shù)位數(shù)據(jù),。
舒教授及其團(tuán)隊(duì)在分子鏈水平和試管水平上對DNA鏈進(jìn)行操作,，他們發(fā)現(xiàn)他們可以對DNA鏈進(jìn)行剪切、融合等操作,，而且所執(zhí)行的這些操作能夠影響DNA的計(jì)算能力,。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校珼NA分子用來存儲與計(jì)算目的相關(guān)的信息,。“我們能融合DNA鏈,，創(chuàng)造另外一種運(yùn)算，或者我們可以通過改變DNA性質(zhì)將DNA拆開,。”舒教授表示,。
與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，DNA計(jì)算機(jī)的計(jì)算是并行執(zhí)行的,，而且計(jì)算并行度非常大,。在一毫升的DNA溶液中，可以容納十的十八次方條DNA,。每條DNA都可以看成是一個(gè)微處理器,。這樣的話，雖然生化反應(yīng)是在一小時(shí)之內(nèi)完成的,，每秒鐘的運(yùn)算量還可以達(dá)到十的十五次方?，F(xiàn)在最快的計(jì)算機(jī)每秒鐘的運(yùn)算速度是十的十二次方。這樣的話,，DNA計(jì)算要比最快的計(jì)算機(jī)還要快一千倍。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行線性操作,，一次只能處理一項(xiàng)任務(wù),。并行計(jì)算使得DNA能在數(shù)小時(shí)內(nèi)求解出復(fù)雜數(shù)學(xué)問題的答案，如果使用電子計(jì)算機(jī),，則需要花費(fèi)數(shù)百年的時(shí)間才能完成這些問題,。
此外，雖然DNA體積很小,，但存儲的信息量卻很大,。一克DNA所能存儲的信息量與1萬億張CD光盤相當(dāng)，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)存儲芯片和其它存儲介質(zhì),。
DNA計(jì)算研究處于最基礎(chǔ)階段
但是DNA計(jì)算這一技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn),，舒教授表示，DNA計(jì)算目前仍處于研究的最基礎(chǔ)階段,，“至今,，DNA計(jì)算機(jī)還需要大量的人力操作,。我們想要對其做進(jìn)一步的改善。硅微處理器可以執(zhí)行每一個(gè)任務(wù),。同樣,，我們需要發(fā)展到提供命令讓DNA也執(zhí)行每一個(gè)任務(wù)。”另外,，他指出,，DNA成本也是一個(gè)問題，目前DNA成本很高,，很難商業(yè)化,。
另一個(gè)挑戰(zhàn)是基于DNA計(jì)算的顯示問題，如果使用現(xiàn)有電子設(shè)備,，DNA計(jì)算的結(jié)果很難顯示出來,。他說：“我們需要在較慢的電子速度與較快的DNA速度之間找到缺失的一環(huán)，比如光速,。”盡管面臨著眾多挑戰(zhàn),，舒教授仍然很樂觀地看待DNA計(jì)算機(jī)的前景：“ DNA是計(jì)算的未來。”
“人機(jī)合一”的未來或許不是夢
在過去的40多年中,，硅微處理器一直是計(jì)算機(jī)世界的核心,。當(dāng)時(shí)，制造商們都努力將更多的電子元件集成到微處理器中,。根據(jù)摩爾定律,，微處理器上的電子元件數(shù)量每18個(gè)月會增長一倍。摩爾定律是以英特爾的創(chuàng)始人戈登?摩爾的名字命名的,，他于1965年預(yù)言微處理器的復(fù)雜程度每兩年會增加一倍,。科學(xué)家認(rèn)為,，摩爾定律將很快失效,，因?yàn)橛霉柚圃斓奈⑻幚砥髟谖锢硭俣群托⌒突矫娴陌l(fā)展空間極其有限，這種傳統(tǒng)的電子技術(shù)在2020年后的某個(gè)時(shí)候?qū)⑦_(dá)到物理極限,。因此,，尋求新的替代技術(shù)具有非常重要的意義。
1994年,，艾得爾曼教授用一支試管解答了著名的貨郎擔(dān)問題：一個(gè)推銷員要去7個(gè)城市推銷產(chǎn)品,。走遍這7個(gè)城市的方案中，哪一種是最短路線,？當(dāng)他花了7天時(shí)間利用試管中的DNA鏈,，根據(jù)堿基互補(bǔ)的原則算出了答案時(shí)，整個(gè)世界震驚了,。人們首次從這個(gè)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識了DNA計(jì)算的概念,，也對DNA計(jì)算的前景有了無限美好的期望,。
2001年，以色列科學(xué)家成功研制成世界第一臺DNA計(jì)算機(jī),，它的輸出,、輸入和軟硬件全由在活性有機(jī)體中儲存和處理編碼信息的DNA分子組成。雖然該計(jì)算機(jī)不過一滴水大小,，但這已顯示出未來DNA計(jì)算機(jī)的雛形,。吉尼斯世界紀(jì)錄稱之為“最小的生物計(jì)算設(shè)備”。隨后幾年,，以色列科學(xué)家對DNA計(jì)算機(jī)進(jìn)行了改進(jìn),，當(dāng)時(shí)的運(yùn)行速度已高達(dá)每秒330萬億次。
未來的DNA計(jì)算機(jī)在研究邏輯,、破譯密碼,、生物醫(yī)藥以及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用將發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢：未來破解復(fù)雜密碼將變得簡單，航空公司可以有效規(guī)劃航線,，在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)行的DNA計(jì)算機(jī)可以監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)人體的各種疑難病癥,，甚至還能在人體內(nèi)合成藥物。隨著我們對DNA計(jì)算機(jī)越來越了解,，未來我們對人腦也將有更深刻的認(rèn)識,。
可以想象，未來一旦DNA計(jì)算技術(shù)全面成熟,，DNA計(jì)算機(jī)還可以通過人體接口直接接受人腦的指揮,，那么屆時(shí)真正的“人機(jī)合一”將會實(shí)現(xiàn)?？梢?，未來的DNA計(jì)算機(jī)將給人類生活帶來一個(gè)質(zhì)的飛躍。（生物谷Bioon.com）
生物谷推薦原文出處：
Physical Review Letters DOI:10.1103/PhysRevLett.106.188702
DNA-Based Computing of Strategic Assignment Problems
Jian-Jun Shu, Qi-Wen Wang, and Kian-Yan Yong
DNA-based computing is a novel technique to tackle computationally difficult problems, in which computing time grows exponentially corresponding to problematic size. A strategic assignment problem is a typical nondeterministic polynomial problem, which is often associated with strategy applications. In this Letter, a new approach dealing with strategic assignment problems is proposed based on manipulating DNA strands, which is believed to be better than the conventional silicon-based computing in solving the same problem.
