未來程序員拿試管“寫”代碼？

如今，無論在生活還是在工作中，我們都離不開計算機的幫忙。然而，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，目前電子計算的并行運算速度和存儲能力面臨發(fā)展瓶頸，科學(xué)家開始尋找新的計算媒介。

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計算機，其有望完成多重計算任務(wù)，相關(guān)成果刊登在《自然》雜志上。

那么，DNA計算機的原理是什么?與傳統(tǒng)的電子計算機相比它有哪些優(yōu)勢?科技日報記者帶著這些問題，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計算機前，我們要先講講它的“前輩”——電子計算機。

別看電子計算機能為我們解決很多難題，但對于一些難度較大的數(shù)學(xué)問題，它也束手無策。例如，哈密爾敦路徑問題，即假定存在多座城市，計算機要規(guī)劃出一條經(jīng)每座城市且不重復(fù)的最短路線。當城市數(shù)量少時，電子計算機或許能在短時間內(nèi)給出答案，但當城市數(shù)量多至100個時，電子計算機就會“忙不過來”，要找出這條路線或許需要數(shù)百年。

在生活中，我們或許很少會遇到這類“燒腦”難題，但在大數(shù)據(jù)時代，由于數(shù)據(jù)存儲量的激增，大體量計算任務(wù)也會隨之增多。

“如今，傳統(tǒng)電子計算機的算力逐漸接近‘天花板’，未來可能無法滿足巨大的計算需求。” 廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授劉向榮介紹道，為了提高計算機的運算速度，其內(nèi)部電路的集成度會越來越高，芯片上的晶體管也會愈發(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，就會出現(xiàn)問題。比如，電子在運動過程中將穿過晶體管壁，“亂成一鍋粥”，無法再形成穩(wěn)定有序的電路，致使計算無法正常進行。

“按照摩爾定律的說法，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目每隔約18到24個月便會增加一倍。”劉向榮說。

不過隨著芯片技術(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，晶體管的體積已達到納米級別，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)家開始尋找能力更強大的、可突破目前電子計算機瓶頸的下一代計算機。

利用生化反應(yīng)在液體里進行計算

科學(xué)家將目光投向了生物領(lǐng)域，在那里尋找“后補選手”。

1994年，圖靈獎獲得者、美國科學(xué)家阿德拉曼提出基于生物化學(xué)反應(yīng)機理的DNA計算模型，推開了DNA計算的大門。

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

“DNA計算是以DNA和相關(guān)生物酶為基本材料，利用某些生化反應(yīng)進行計算的一種新型的分子生物計算方法。”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報記者采訪時表示，它主要是利用DNA分子特有的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補配對原則進行計算。

其具體的計算步驟為，首先工作人員對待解決的問題進行編碼，即將運算對象編碼成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)則將解決問題的過程映射成DNA分子鏈的可控生化反應(yīng)的過程;最后，利用分子生物技術(shù)，如聚合酶鏈式反應(yīng)等，得到最終的運算結(jié)果。

“與電子計算的操作不同，DNA計算屬于‘濕實驗’，即大部分運算都在液體里進行。”張成告訴科技日報記者，在DNA計算環(huán)境下，要想讀取數(shù)據(jù)，可不像電子計算機這么方便，看一眼電子屏幕就成了，而是需要通過凝膠電泳、熒光成像、原子力顯微鏡、透射電鏡等生物分子檢測技術(shù)獲得計算結(jié)果。

存儲力和算力遠超傳統(tǒng)方式

張成介紹道，DNA計算的最大優(yōu)勢在于其高并行性，即DNA的每條單鏈都可被看成是一臺計算設(shè)備，其內(nèi)部海量的鏈條則可被看成一個“機房”，這就相當于成百上千臺計算機在同時進行運算。

這種高并行性極大地提升了運算速度。舉例來說，若想從億萬人中找出一個手拿釘子的人，傳統(tǒng)的電子計算機往往要一個一個篩，直到檢索出目標;而DNA計算模式，則可并行對1018個人同時進行檢測，其計算速度相當可觀。“高并行性讓DNA計算具備了進行大規(guī)模計算的能力，可用于專用計算。”劉向榮表示。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授許進曾撰文表示，一臺DNA計算機在一周的運算量或相當于所有電子計算機問世以來的總運算量。

“除具有高并行性外，DNA分子還具有海量存儲能力，這也是DNA計算的另一優(yōu)勢。”張成指出，信息時代的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，電子計算機芯片等元器件的集成能力愈發(fā)接近瓶頸，亟待開發(fā)新的存儲媒介。

DNA作為信息的載體，其貯存容量巨大。1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億個二進制數(shù)據(jù)，遠超當前全球所有電子計算機的總儲存量。

近年來，不僅很多科學(xué)家熱衷于研究DNA存儲，一些企業(yè)也將目光投向這一領(lǐng)域。微軟研究院計劃于2020年前將DNA存儲系統(tǒng)投入到數(shù)據(jù)中心中使用，華為戰(zhàn)略研究院也將DNA存儲納入未來研發(fā)計劃中。

此外，許進還提到，DNA計算機所消耗的能量只占一臺電子計算機完成同樣計算任務(wù)所消耗能量的十億分之一。

DNA計算技術(shù)落地或需20年

“高大上”的DNA計算，能被用在哪兒呢?

“在信息技術(shù)領(lǐng)域中，基于DNA計算的強大運算能力，其有望被應(yīng)用于密碼破譯或超大規(guī)模信息處理等業(yè)務(wù)中。”劉向榮表示，現(xiàn)有的密碼體系之所以安全、可靠，并非在于其無法被破譯，而是因為破譯時間過長，可能需要上百年。而DNA計算則有望將同一密碼的破譯時間縮短至幾天、甚至更短，屆時現(xiàn)有密碼體系可能會“潰不成軍”。

在北京理工大學(xué)計算機學(xué)院副教授閆懷志看來，生物醫(yī)藥也將是DNA計算主要的應(yīng)用場景之一。“DNA計算由于其融合應(yīng)用了電子技術(shù)和生物技術(shù)，使得電腦與人腦相結(jié)合的‘人機合一’成為可能。可以設(shè)想，采用DNA計算技術(shù)，甚至能在人體或細胞內(nèi)直接植入人造生物芯片、運行計算機程序。”閆懷志說。

“利用DNA計算技術(shù)，科學(xué)家可在細胞內(nèi)植入DNA納米機器人和分子電路，完成細胞功能調(diào)控。例如，北京大學(xué)相關(guān)團隊構(gòu)建的多種DNA分子電路，可對某種腫瘤標志物進行特異性識別，進而實現(xiàn)快速診斷。”張成說。

“此外，得益于DNA分子鏈本身的微小性、可折疊性及高度穩(wěn)定性，DNA分子存儲技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注。”張成指出，科學(xué)家已經(jīng)把莎士比亞的詩、馬丁⋅路德金的演講等信息通過分子編碼，成功以DNA形式進行存儲。DNA硬盤或?qū)⒂诓痪煤髥柺馈?/p>

與此同時，專家也表示，目前來看，DNA計算技術(shù)落地仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

“目前學(xué)界還未找到實時、高靈敏度的檢測DNA單分子的技術(shù)手段。DNA運算結(jié)果信號往往為微小、微量的DNA單分子，如何增強這種納米級別的信號或提升單分子檢測技術(shù)的能力，需要我們進一步努力。”劉向榮指出。

新技術(shù)只有走出實驗室，才能體現(xiàn)其價值，造福大眾。張成坦言，目前由于DNA計算技術(shù)相關(guān)研究仍屬于前沿基礎(chǔ)研究范疇，市場資金介入度不夠。“因此，我們亟須加強相關(guān)的應(yīng)用研究，吸引市場的關(guān)注。”張成說。

“目前來看，DNA計算技術(shù)距離真正落地，還有很長的路要走，或許需要20年。”劉向榮推測道。

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