易坊好文馆

  1. 首页 > 奇闻 >

（原创）陈根：生物计算机，能为摩尔定律“续命”吗？

水底奥秘 翻车鱼 鲸鲨


（原创）陈根：生物计算机，能为摩尔定律“续命”吗？


文章图片


（原创）陈根：生物计算机，能为摩尔定律“续命”吗？


文/陈根
众所周知 ， 传统的计算机使用的是硅芯片 ， 但如今 ， 在几代计算机技术以后 ， 科学家们已经不再满足于使用硅芯片的传统计算机——科学家们开始研究如何在试管中培育出生物有机计算机 ， 而这种由遗传材料制成的生物晶体管的生物计算机 ， 已经是计算机家族的第六代 。
1994年 ， 南加州大学教授伦纳德·阿德曼（LeonardAdleman）首次演示了DNA计算 。 仅仅使用DNA ， 阿德曼教授就解决了传统计算机无法解决的困难问题 。 在阿德曼进行了这次实验以后 ， 基于DNA的电子线路已经成功实现了布尔逻辑、算术计算以及神经网络计算 。 现在 ， 这个被称作分子编程的领域正在起飞 ， 为计算机创造一个非凡的未来 。

摩尔定律之后

1965年 ， 《电子》杂志在创刊35周年之际 ， 邀请了时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔 ， 为其撰写一篇观察评论 ， 预测微芯片工业的前景 。 此时 ， 全球半导体产业才刚刚萌芽 ， 英特尔公司都尚未成立 ， 市面上生产和销售的芯片更是屈指可数 。 摩尔根据有限的数据大胆提出了一条被后人奉为圭臬的路线图——集成电路芯片上可容纳的晶体管数目 ， 每隔18-24个月便会增加一倍 ， 微处理器的性能提高一倍 ， 或价格下降一半 。 这就是大名鼎鼎的“摩尔定律” 。
过去半个世纪里 ， “摩尔定律”为算力乃至生产力的发展作出了巨大贡献 ， 同时也让整个信息技术实现了全面的迭代和更新 ， 成为了科技创新、乃至于经济学的定律 。 不管有多少争议 ， 毫无疑问的是 ， 自从提出到现在50多年以来 ， 摩尔定律一直都是半导体行业的金科玉律 ， 指导着行业的发展 。
1971年英特尔发布的第一个处理器4004 ， 就采用10微米工艺生产 ， 仅包含2300多个晶体管 。 随后 ， 晶体管的制程节点以0.7倍的速度递减 ， 90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm等等相继被成功研制出来 ， 现在 ， 晶体管已经在向5nm、3nm突破 。 或许 ， 就连摩尔本人都没有想到 ， 这个定律的效力是如此持久 。
但在半导体行业高歌猛进的同时 ， 人们却又清楚 ， 这种增长要无限地保持下去是不可能的 。 “增加一倍”的周期都是18个月 ， 意味着每十年晶体管的数量要提高一百倍 。 这就是为什么半个世纪以来 ， 科学家们也一直在考虑新型计算机模型的研制的原因——电子计算机的工艺制造技术终将达到极限 。
在探索非传统的新型计算机模型研究中 ， 生物计算机受到了科学家们的关注 。 被称为第六代计算机的生物计算机 ， 其主要原材料是借助生物工程技术（特别是蛋白质工程）生产的蛋白质分子 ， 以它作为生物集成电路——生物芯片 。
在用蛋白质工程技术生产的生物芯片中 ， 信息以波的形式沿着蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的改变来传递 。 蛋白质分子比硅晶片上的电子元件要小得多 ， 彼此相距甚近 。 因此 ， 生物元件可小到几十亿分之一米 ， 元件的密集度可达每平方厘米10～100万亿个 ， 甚至1000万亿个门电路 。
【（原创）陈根：生物计算机，能为摩尔定律“续命”吗？】这就意味着 ， 生物计算机每完成一项运算 ， 所需的时间仅为目前硅集成电路计算机的万分之一 。 事实也确实如此 ， 生物计算机完成一项运算所需的时间仅为1×10-11秒 ， 比人的思维速度还快100万倍 。
并且 ， 与普通计算机不同的是 ， 由于生物芯片的原材料是蛋白质分子 ， 所以 ， 生物计算机既有自我修复的功能 ， 又可直接与生物活体结合 。 同时 ， 生物芯片具有发热少、功耗低、电路间无信号干扰等优点 。

高级的存储 ， 惊人的运算
我们已经知道 ， 生物计算机的计算则是指以生物大分子作为“数据”的计算模型 ， 其中 ， 又主要分为3种类型：蛋白质计算、RNA计算和DNA计算 。
蛋白质计算模型的研究始于20世纪80年代中期 ， Conrad首先提出用蛋白质作为计算器件的生物计算模型 。 1995年 ， Birge发现细菌视紫红质蛋白分子具有良好的“二态性” ， 拟设计、制造一种蛋白质计算机 。 随后 ， Birge的同事 ， Syracuse大学的其他研究人员应用原型蛋白质制备出一种光电器件 ， 它存贮信息的能力比目前电子计算机的存贮器高300倍 ， 这种器件含细菌视紫红质蛋白 ， 利用激光束进行信息写入和读取 。

推荐阅读


上一篇：物理测量困惑，规律可改变，古人早已发现，自然由神秘力量掌控

下一篇：基因编辑酵母菌酿啤酒！科学家称口味更好，你敢喝吗？