如今，無論在生活還是在工作中，我們都離不開計算機(jī)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(yùn)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(jī)，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(jī)的原理是什么？與傳統(tǒng)的電子計算機(jī)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(jī)前，我們要先講講它的“前輩”——電子計算機(jī)。

別看電子計算機(jī)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(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，電子計算機(jī)或許能在短時間內(nèi)給出答案，但當(dāng)城市數(shù)量多至100個時，電子計算機(jī)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(jī)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(jī)的運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(dá)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(qiáng)大的、可突破目前電子計算機(jī)瓶頸的下一代計算機(jī)。

利用生化反應(yīng)在液體里進(jìn)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(bǔ)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(jī)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(jī)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(jìn)行計算的一種新型的分子生物計算方法�！北本┐髮W(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(bǔ)配對原則進(jìn)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(jìn)行編碼，即將運(yùn)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?zhǔn)椒磻?yīng)等，得到最終的運(yùn)算結(jié)果。

“與電子計算的操作不同，DNA計算屬于‘濕實(shí)驗’，即大部分運(yùn)算都在液體里進(jìn)行�！睆埑筛嬖V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(jī)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。