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“大神”DNA计算机存储力和算力远超传统方式

来源:科技日报     时间:2019-05-15 10:12:12

碱基互补配对原则进行计算。

其具体的计算步骤为,首先工作人员对待解决的问题进行编码,即将运算对象编码成DNA分子链(单链或双链);其次是将编码后的DNA分子链混入生物酶溶液中,生成各种数据池;然后在生物酶的作用下,按照一定规则将解决问题的过程映射成DNA分子链的可控生化反应的过程;最后,利用分子生物技术,如聚合酶链式反应等,得到最终的运算结果。

“与电子计算的操作不同,DNA计算属于‘湿实验’,即大部分运算都在液体里进行。”张成告诉科技日报记者,在DNA计算环境下,要想读取数据,可不像电子计算机这么方便,看一眼电子屏幕就成了,而是需要通过凝胶电泳、荧光成像、原子力显微镜、透射电镜等生物分子检测技术获得计算结果。

存储力和算力远超传统方式

张成介绍道,DNA计算的最大优势在于其高并行性,即DNA的每条单链都可被看成是一台计算设备,其内部海量的链条则可被看成一个“机房”,这就相当于成百上千台计算机在同时进行运算。

这种高并行性极大地提升了运算速度。举例来说,若想从亿万人中找出一个手拿钉子的人,传统的电子计算机往往要一个一个筛,直到检索出目标;而DNA计算模式,则可并行对1018个人同时进行检测,其计算速度相当可观。“高并行性让DNA计算具备了进行大规模计算的能力,可用于专用计算。”刘向荣表示。

北京大学信息科学技术学院教授许进曾撰文表示,一台DNA计算机在一周的运算量或相当于所有电子计算机问世以来的总运算量。

“除具有高并行性外,DNA分子还具有海量存储能力,这也是DNA计算的另一优势。”张成指出,信息时代的数据量呈指数级增长,电子计算机芯片等元器件的集成能力愈发接近瓶颈,亟待开发新的存储媒介。

DNA作为信息的载体,其贮存容量巨大。1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿个二进制数据,远超当前全球所有电子计算机的总储存量。

近年来,不仅很多科学家热衷于研究DNA存储,一些企业也将目光投向这一领域。微软研究院计划于2020年前将DNA存储系统投入到数据中心中使用,华为战略研究院也将DNA存储纳入未来研发计划中。

此外,许进还提到,DNA计算机所消耗的能量只占一台电子计算机完成同样计算任务所消耗能量的十亿分之一。

DNA计算技术落地或需20年

“高大上”的DNA计算,能被用在哪儿呢?

“在信息技术领域中,基于DNA计算的强大运算能力,其有望被应用于密码破译或超大规模信息处理等业务中。”刘向荣表示,现有的密码体系之所以安全、可靠,并非在于其无法被破译,而是因为破译时间过长,可能需要上百年。而DNA计算则有望将同一密码的破译时间缩短至几天、甚至更短,届时现有密码体系可能会“溃不成军”。

在北京理工大学计算机学院副教授闫怀志看来,生物医药也将是DNA计算主要的应用场景之一。“DNA计算由于其融合应用了电子技术和生物技术,使得电脑与人脑相结合的‘人机合一’成为可能。可以设想,采用DNA计算技术,甚至能在人体或细胞内直接植入人造生物芯片、运行计算机程序。”闫怀志说。

“利用DNA计算技术,科学家可在细胞内植入DNA纳米机器人和分子电路,完成细胞功能调控。例如,北京大学相关团队构建的多种DNA分子电路,可对某种肿瘤标志物进行特异性识别,进而实现快速诊断。”张成说。

“此外,得益于DNA分子链本身的微小性、可折叠性及高度稳定性,DNA分子存储技术近年来受到广泛关注。”张成指出,科学家已经把莎士比亚的诗、马丁·路德金的演讲等信息通过分子编码,成功以DNA形式进行存储。DNA硬盘或将于不久后问世。

与此同时,专家也表示,目前来看,DNA计算技术落地仍面临诸多挑战。

“目前学界还未找到实时、高灵敏度的检测DNA单分子的技术手段。DNA运算结果信号往往为微小、微量的DNA单分子,如何增强这种纳米级别的信号或提升单分子检测技术的能力,需要我们进一步努力。”刘向荣指出。

新技术只有走出实验室,才能体现其价值,造福大众。张成坦言,目前由于DNA计算技术相关研究仍属于前沿基础研究范畴,市场资金介入度不够。“因此,我们亟须加强相关的应用研究,吸引市场的关注。”张成说。

“目前来看,DNA计算技术距离真正落地,还有很长的路要走,或许需要20年。”刘向荣推测道。

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