未来的程序员会用试管“写”代码吗？

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如今，无论在生活还是工作中，没有电脑的帮助我们都无法生存。然而，随着大数据时代的到来，电子计算的并行计算速度和存储容量正面临瓶颈，科学家们正在寻找新的计算介质。

最近，加州理工学院的科学家开发了一种可广泛编程的DNA计算机，预计它能完成多种计算任务。相关结果发表在《自然》杂志上。

那么，DNA计算机的原理是什么？与传统的电子计算机相比，它有什么优势？带着这些问题，《科技日报》记者采访了相关专家。

电子芯片的发展遇到了物理限制

在介绍“大神”DNA计算机之前，我们应该先谈谈它的“前身”——电子计算机。

尽管计算机能为我们解决许多难题，但它对一些数学难题却无能为力。例如，哈密尔顿路线问题，也就是说，假设有许多城市，计算机应该计划一条最短的路线，不重复地通过每个城市。当城市很少的时候，计算机也许能在短时间内给出答案，但是当有多达100个城市的时候，计算机将会“太忙”，并且可能需要数百年才能找到这条路线。

在我们的生活中，我们可能很少遇到这种“大脑燃烧”的问题。然而，在大数据时代，由于数据存储量的迅速增加，海量计算的任务也将随之增加。

“今天，传统电子计算机的计算能力正逐渐接近‘上限’，未来可能无法满足巨大的计算需求。”厦门大学信息科学与技术学院教授刘说，为了提高计算机的计算速度，内部电路的集成度会越来越高，芯片上的晶体管也会越来越密集。目前，管道之间的距离约为10纳米，一旦距离小于1纳米，就会出现问题。例如，电子在运动过程中会穿过晶体管壁，这会造成混乱，并且不再能形成稳定有序的电路，导致计算异常。

“根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元件数量将每18到24个月翻一番。”刘对说道。

然而，随着芯片技术的不断发展，摩尔定律逐渐遇到了物理定律的局限性。目前，晶体管的尺寸已经达到纳米级，进一步缩小的可能性越来越小。摩尔定律预测的发展轨迹似乎很难继续下去。

因此，一些科学家开始寻找具有更强大功能的下一代计算机，这种计算机可以突破当前电子计算机的瓶颈。

通过生化反应在液体中计算

科学家们已经将注意力转向生物学领域，他们正在寻找“后补偿玩家”。

1994年，美国科学家、图灵奖获得者艾德曼提出了基于生化反应机制的DNA计算模型，为DNA计算打开了大门。

脱氧核糖核酸是一种具有双螺旋结构的有机化合物。那么，染色体中的DNA是如何完成计算任务的呢？

“脱氧核糖核酸计算是一种新型的分子生物学计算方法，它以脱氧核糖核酸和相关的生物酶为基础，利用一些生化反应。”eecs副研究员张成在接受《科技日报》采访时表示，该软件主要利用DNA分子独特的双螺旋结构和互补碱基配对原理进行计算。

具体计算步骤如下:首先，工作人员对要解决的问题进行编码，即将操作对象编码成DNA分子链(单链或双链)；其次，将编码后的DNA分子链混合到生物酶溶液中，生成各种数据池；然后，在生物酶的作用下，将解决问题的过程映射为按一定规律进行的DNA分子链可控生化反应的过程；最后，利用分子生物技术，如聚合酶链反应，得到最终的计算结果。

“与电子计算的操作不同，DNA计算是一个‘湿实验’，也就是说，大多数操作都是在液体中进行的。”张成告诉《科技日报》记者，在DNA计算环境下，如果你想读取数据，它不如电子计算机方便，只要看看电子屏幕就可以了。相反，您需要通过凝胶电泳、荧光成像、原子力显微镜、透射电子显微镜和其他生物分子检测技术获得计算结果。

存储能力和计算能力远远超过传统方式

张成介绍说，DNA计算的最大优势在于它的高度并行性，即每一条DNA链都可以看作是一个计算设备，其庞大的内部链可以看作是一个“计算机房”，相当于数百台计算机同时进行运算。

这种高度并行大大提高了操作速度。例如，如果你想从数以亿计的人身上找到一个长指甲的人，传统的电子计算机通常必须一个接一个地筛选，直到找到目标；在DNA计算模式下，可以同时并行检测1018个人，其计算速度相当快。“高度并行性使DNA计算能够执行大规模计算，并可用于专用计算。”刘对说道。

eecs的教授徐进曾经写道，自所有电子计算机出现以来，一周内DNA计算机的计算量相当于计算总量。

“除了高度并行性，DNA分子还具有巨大的存储容量，这是DNA计算的另一个优势。”张成指出，信息时代的数据量呈指数级增长，电子计算机芯片与其他组件的集成能力越来越接近瓶颈，因此开发新的存储介质迫在眉睫。

作为信息的载体，DNA具有巨大的存储容量。一立方米的DNA溶液可以存储1万亿个二进制数据，远远超过了世界上所有电子计算机的总存储容量。

近年来，不仅许多科学家热衷于研究DNA存储，一些企业也将注意力转向了这一领域。微软研究院计划在2020年前将DNA存储系统放入数据中心，华为战略研究院也将把DNA存储纳入其未来的研发计划。

此外，徐进还提到，一台脱氧核糖核酸计算机消耗的能量仅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计算技术可能需要20年才能登陆

“高大上”的DNA计算在哪里可以使用？

“在信息技术领域，基于DNA计算的强大计算能力，它有望应用于密码破解或超大规模信息处理等服务。”刘说，现有的密码系统是安全可靠的，不是因为它不能被破译，而是因为它需要太长的时间来破译，这可能需要数百年。然而，预计DNA计算将把同一密码的解密时间缩短到几天甚至更短，然后现有的密码系统可能会被“消灭”。

据北京理工大学计算机科学学院副教授严介绍，生物医学也将是DNA计算的主要应用场景之一。“DNA计算结合了电子技术和生物技术，这使得计算机和人脑的结合成为可能。可以想象，利用DNA计算技术，甚至有可能直接在人体或细胞中植入人工生物芯片并运行计算机程序。”严胡爱芝说:

“利用DNA计算技术，科学家可以将DNA纳米机器人和分子电路植入细胞，完成细胞功能调节。例如，北京大学相关团队构建的多种DNA分子回路可以特异性识别某些肿瘤标志物，实现快速诊断。”张成说道。

此外，由于DNA分子链本身的小、可折叠性和高稳定性，近年来DNA分子存储技术受到了广泛关注张成指出，科学家已经成功地将莎士比亚的诗歌和马丁·路德·金的演讲以分子编码的形式储存在DNA中。DNA硬盘很快就会出来。

同时，专家还表示，目前，DNA计算技术的登陆仍面临诸多挑战。

“目前，学术界还没有找到一种实时且高度敏感的技术手段来检测DNA单分子。脱氧核糖核酸操作的结果通常是微小的和微量的脱氧核糖核酸单分子。如何增强这种纳米级信号或提高单分子检测技术的能力需要进一步的努力。”刘指出。

只有当新技术走出实验室，它才能体现其价值，造福大众。张成承认，目前，由于与DNA计算技术相关的研究仍属于前沿基础研究范畴，市场资本干预还不够。"因此，我们迫切需要加强相关的应用研究，以吸引市场的关注."张成说道。

“目前，DNA计算技术已经真正登陆，还有很长的路要走。这可能需要20年。”刘推测。(于子月)

编者:纪爱玲