“大神”DNA計算機存儲力和算力遠超傳統(tǒng)方式

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的過程;最后，利用分子生物技術，如聚合酶鏈式反應等，得到最終的運算結果。

“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獲得計算結果。

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備，其內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。

北京大學信息科學技術學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，不僅很多科學家熱衷于研究DNA存儲，一些企業(yè)也將目光投向這一領域。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所消耗能量的十億分之一。

DNA計算技術落地或需20年

“高大上”的DNA計算，能被用在哪兒呢?

“在信息技術領域中，基于DNA計算的強大運算能力，其有望被應用于密碼破譯或超大規(guī)模信息處理等業(yè)務中。”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”。

在北京理工大學計算機學院副教授閆懷志看來，生物醫(yī)藥也將是DNA計算主要的應用場景之一。“DNA計算由于其融合應用了電子技術和生物技術，使得電腦與人腦相結合的‘人機合一’成為可能。可以設想，采用DNA計算技術，甚至能在人體或細胞內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，科學家可在細胞內植入DNA納米機器人和分子電路，完成細胞功能調控。例如，北京大學相關團隊構建的多種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分子存儲技術近年來受到廣泛關注。”張成指出，科學家已經(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硬盤或將于不久后問世。

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

“目前學界還未找到實時、高靈敏度的檢測DNA單分子的技術手段。DNA運算結果信號往往為微小、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的能力，需要我們進一步努力。”劉向榮指出。

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

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