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摘 要：作为20世纪最伟大发明之一的计算机,一直以来都以奇迹般的速度发展着,其硬件性能正如著名的摩尔定律所预测的那般,每两年翻一番.然而,路有尽头,由于物理上的限制,由晶体管构成的集成电路终就会走到不能再提升性能的一天.在晶体管集成电路山穷水尽的时候,计算机的性能要想再取得突破,就必须另辟蹊径,而生物计算机,就是最有潜力的发展方向之一.该文探究了生物计算机的发展现状,并对其未来做出了展望.
关 键 词：生物计算机；未来计算机；性能潜力
中图分类号：TP38文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）14-3413-02
生物计算机是近30年来新诞生的计算机分支,是最有潜力的年轻领域之一,也是目前未来计算机的众多发展方向之一.
如今,虽然传统的晶体管集成电路计算机依旧发展迅猛,依然会在未来一段时间内占据主导地位,但毫无疑问其硬件性能有着不可突破的极限,当达到这个物理极限附近时,传统的电子计算机就很难再大幅度提升硬件性能,这时就必须依赖于更适用更先进的未来计算机——-一种生物计算机,一个突破传统计算机性能极限的重要潜在解决方案之一.
1生物计算机的基本原理
生物计算机又被称之为仿生计算机,其基本思想是用生物芯片来代替传统的半导体硅片集成电路,从而制成以生物电子元件构成的计算机.
相对于传统计算机的以电压形式形成的逻辑开关,生物计算机利用的是蛋白质分子的开关特性来实现数据的计算和储存.当然,真正意义上的生物计算机并不是完全按照传统的“逻辑门”的思想来设计,其设计理念也不是按照传统计算机的“冯·诺依曼计算机”原理来设计,而是充分结合生物化学分子本身的特性来设计.
生物计算机的潜力巨大,一旦研制成功,其几十小时的运算量可能就相当于目前全球所有计算机运算量的总和,到那时众多现今计算机需耗费大量时间解决的问题生物计算机可以不费吹灰之力完成.
2生物计算机的优势
相比于传统的计算机,生物计算机具有如下一些传统计算机难以企及的性能：
1）集成度、功效更高
生物计算机的电路以分子为单位,在一平方毫米的面积上,可容纳几亿个电路,相比于传统计算机的半导体硅片制成的芯片,生物芯片能容纳电路的电路数量级提高了不只一个层次.
2）可靠性高,寿命更长
具有生物性质的生物计算机能做到自我修复,并且可以编码设置其自我再生和复制的功能,因此有传统计算机所没有的高可靠性和超长使用寿命.
3）耗能少
生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件,只需很少的能量就能就行所需的化学反应,耗能比传统的消耗电能并不断产生热能的计算机大大减少,并且能量利用率大幅度提高.
4）方便适用
生物计算机由于体积下且具有生物特性,可以置于很多传统计算机无法置放的地方,可以随意设置在我们身边的任何事物中,并且可以发挥其生物特性更方便地为生命体服务.
5）性能大幅度提升
生物计算机由于其蛋白质分子可以并行工作的原理,可以轻松实现大量的并行运算,并且速度提高了10万倍以上,同时DNA作为储存信息的媒介,其占用空间也大幅缩小,仅占传统计算机的百亿亿分之一.
3生物计算机的发展现状
生物计算机的概念最早出现在1983年的美国.自那以后,研制生物计算机的热潮就在各个发达国家被掀起.
首先,生物学家通过对生命体组织细胞的研究,将仿生学应用到计算机这一领域,从而产生了用生物化学分子制造计算机的想法.生物计算机的研究方向目前大致有两类：一类是研制分子计算机,即制造有机分子元件去代替目前的半导体逻辑元件和存储元件；另一方面是深入研究人脑的结构、思维规律,再构想生物计算机的结构.生物计算机所研究的内容有很多,目前大致有如下一些研究内容：生物分子或超分子芯片；与生物现象类比的自动机模式；以生物智能为基础的仿生算法、立足于可控生化反应的生物化学算法、DNA计算机、采用各种生物化学技术实现的细胞计算机等等.其中,生物计算机研究领域中很关键的一环是寻找关键DNA,由于DNA是控制生命的最终核心,并且有着能储存巨大信息的特点,因此寻找或人工制造符合计算机需求的DNA是此领域的一个关键.
目前,生物计算机的最新研究成果是美国最新研制的可以让科学家对分子进行“编程”,并由活细胞执行“命令”的生物计算机.
4生物计算机未来展望
生物计算机目前仍旧处于起步阶段,科学家仍在积极地研制生物芯片.
虽然生物计算机至今还没有取得革命性的进展,而且有的学者也提出生物计算机在现阶段出现的一系列缺点,例如以遗传物质为基础的生物计算机会受环境的干扰、计算结果难以检测、生物化学反应不是百分之百成功等,此外我们目前还不知道如何能在一个以蛋白质分子为主的生物芯片上运行一个文本编辑器,但这些并不影响生物计算机作为一个有着巨大潜力的领域而存在,因为人类技术的进步是如此令人惊讶,就像在一百年前人们无法想象如今的电子计算机一样,相信随着生物技术的不断进步,这些技术上的问题终究会被解决,终有一天,生物计算机能像如今的电子计算机一样成为神话.