利用生化反应在液体里进行计算

　　科学家将目光投向了生物领域，在那里寻找“后补选手”。

　　1994年，图灵奖获得者、美国科学家阿德拉曼提出基于生物化学反应机理的DNA计算模型，推开了DNA计算的大门。

　　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是怎么完成计算任务的？

　　“DNA计算是以DNA和相关生物酶为基本材料，利用某些生化反应进行计算的一种新型的分子生物计算方法。”北京大学信息科学技术学院副研究员张成在接受科技日报记者采访时表示，它主要是利用DNA分子特有的双螺旋结构和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。