科学家研发出DNA核算机:未来程序员拿试管“写”代码?

原标题:科学家研发出DNA核算 机:未来程序员拿试管“写”代码?

  未来程序员拿试管“写”代码?

  如今,无论在日子 仍是 在工作中,我们都离不开核算 机的帮忙。然而,跟着 大数据时代的到来,现在 电子核算 的并行运算速度和存储能力面对 开展 瓶颈,科学家开始寻找新的核算 前语 。

  近日,加州理工学院的科学家研发出可广泛编程的DNA核算 机,其有望完成多重核算 任务 ,相关成果刊登在《天然 》杂志上。

  那么,DNA核算 机的原理是什么?与传统的电子核算 机相比它有哪些优势?科技日报记者带着这些问题,采访了相关专家。

  电子芯片开展 遭遇物理极限

  在介绍“大神”DNA核算 机前,我们要先讲讲它的“老一辈 ”——电子核算 机。

  别看电子核算 机能为我们解决很多难题,但关于 一些难度较大的数学问题,它也束手无策。例如,哈密尔敦途径 问题,即假定存在多座城市,核算 机要规划出一条经每座城市且不重复的最短道路 。当城市数量少时,电子核算 机或许能在短时间内给出答案,但当城市数量多至100个时,电子核算 机就会“忙不过来”,要找出这条道路 或许需要数百年。

  在日子 中,我们或许很少会遇到这类“烧脑”难题,但在大数据时代,因为 数据存储量的激增,大体量核算 任务 也会随之增多。

  “如今,传统电子核算 机的算力逐渐挨近 ‘天花板’,未来可能无法满足巨大的核算 需求。” 厦门大学信息科学与技能 学院教授刘向荣介绍道,为了提高核算 机的运算速度,其内部电路的集成度会越来越高,芯片上的晶体管也会愈发密布 。现在 管道之间的间隔 约为10纳米,该间隔 一旦小于1纳米,就会呈现 问题。比如,电子在运动过程中将穿过晶体管壁,“乱成一锅粥”,无法再构成 安稳 有序的电路,致使核算 无法正常进行。

  “依照 摩尔定律的说法,集成电路上可容纳的元器件的数目每隔约18到24个月便会添加 一倍。”刘向荣说。

  不过跟着 芯片技能 的不断开展 ,摩尔定律也逐渐遇到了物理法则的限制。现在 ,晶体管的体积已达到纳米级别,继续缩小的可能性正在变小,摩尔定律所预言的开展 轨迹似乎已再难延续。

  于是,部分科学家开始寻找能力更强壮 的、可打破 现在 电子核算 机瓶颈的下一代核算 机。

  使用 生化反响 在液体里进行核算

  科学家将目光投向了生物领域,在那里寻找“后补选手”。

  1994年,图灵奖取得 者、美国科学家阿德拉曼提出基于生物化学反响 机理的DNA核算 模型,推开了DNA核算 的大门。

  DNA,即脱氧核糖核酸,是具有双螺旋结构的有机化合物。那么,染色体中的DNA是怎么完成核算 任务 的?

  “DNA核算 是以DNA和相关生物酶为底子 资料 ,使用 某些生化反响 进行核算 的一种新型的分子生物核算 方法。”北京大学信息科学技能 学院副研讨 员张成在承受 科技日报记者采访时表明 ,它主要是使用 DNA分子特有的双螺旋结构和碱基互补配对原则进行核算 。

  其详细 的核算 步骤为,首要 工作人员对待解决的问题进行编码,行将 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,依照 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响 的过程;终究 ,使用 分子生物技能 ,如聚合酶链式反响 等,得到最终的运算成绩。

  “与电子核算 的操作不同,DNA核算 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核算 环境下,要想读取数据,可不像电子核算 机这么便利 ,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能 取得 核算 成绩。

  存储力和算力远超传统方式

  张成介绍道,DNA核算 的最大优势在于其高并行性,即DNA的每条单链都可被当作 是一台核算 设备,其内部海量的链条则可被当作 一个“机房”,这就适当 于成百上千台核算 机在同时进行运算。

  这种高并行性极大地提高 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,传统的电子核算 机往往要一个一个筛,直到检索出方针 ;而DNA核算 模式,则可并行对1018个人同时进行检测,其核算 速度适当 可观。“高并行性让DNA核算 具备了进行大规模核算 的能力,可用于专用核算 。”刘向荣表明 。

  北京大学信息科学技能 学院教授许进曾撰文表明 ,一台DNA核算 机在一周的运算量或适当 于所有电子核算 机问世以来的总运算量。