生物計算機課件

生物計算機的由來什么是生物計算機生物計算機的發(fā)展趨勢主要內容生物計算機的由來什么是生物計算機生物計算機的發(fā)展趨勢主要內容1生物計算機的由來傳統(tǒng)計算機的瓶頸生物計算機的可能性有機分子的優(yōu)點生物計算機的由來傳統(tǒng)計算機的瓶頸生物計算機的可能性有機分子的2生物計算機的由來人們驚嘆于錢鐘書先生超凡的記憶力。據(jù)說有人從圖書館隨便翻出什么古典文集來，錢鐘書都能準確無誤地復述其內容。20世紀的人，只能為之興嘆，稱之為天才；但是，生活在21世紀的人們就有可能與錢鐘書在記憶力上一試高低。這種可能性來自即將成為21世紀人類生活新伙伴的生物電腦。生物計算機的由來人們驚嘆于錢鐘書先生超凡的記憶力。據(jù)說有人從3傳統(tǒng)計算機的瓶頸目前以集成電路為基礎的傳統(tǒng)計算機已經快要發(fā)展到極限。按照目前的速度，計算機發(fā)展遵循的“摩爾定律”（每18個月芯片速度翻一番，價格降低一半）將會失效。從技術的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。傳統(tǒng)計算機的瓶頸目前以集成電路為基礎的傳統(tǒng)計算機已經快要發(fā)展4傳統(tǒng)計算機的瓶頸一旦芯片上線條的寬度達到納米數(shù)量級時，相當于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發(fā)生質的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導體器件不能正常工作。目前最先進的集成電路已含有17億個晶體管。再增加是很困難的，必須想別的出路。生物技術與計算機技術聯(lián)姻的生物計算機成為計算機發(fā)展的一個新的突破口。生物計算機就是利用生物分子代替硅，實現(xiàn)更大規(guī)模的高度集成。傳統(tǒng)計算機的瓶頸一旦芯片上線條的寬度達到納米數(shù)量級時，相當于5生物計算機的可能性人類有一門學科叫仿生學，即通過對自然界生物特性的研究與模仿，來達到為人類社會更好地服務的目的。典型的例子如：通過研究蜻蜓的飛行制造出了直升機；對青蛙眼睛的表面“視而不見”，實際“明察秋毫”的認識，研制出了電子蛙眼；對蝙蝠沒有視力，靠發(fā)出超聲波來定向飛行的特性研究，制造出了雷達、超聲波定向儀等；對“變色龍”的研究，產生了隱身科學和保護色的應用……生物計算機的可能性人類有一門學科叫仿生學，即通過對自然界生物6生物計算機的可能性蝙蝠用超聲波來定向，人類可以制造一臺這樣的超聲定向儀，其體積卻要比蝙蝠大上許多倍。生物體的這種高效能和超小型使科學家獲得啟發(fā)：能否也用有機物來制造計算機呢？電子計算機最基本的構件是開關元件，正是這千百萬只開關組成的電路顯現(xiàn)出各種奇妙的功能。電子計算機也恰與“關”和“開”相對應。生物計算機的可能性蝙蝠用超聲波來定向，人類可以制造一臺這樣的7生物計算機的可能性早在20世紀70年代，人們就發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA)處于不同狀態(tài)時可以代表“有信息”或“無信息”。于是，科學家設想：假若有機物的分子也具有這種“開”和“關”的功能，那豈不可以把它們作為計算機的基本構件，從而造出“有機物計算機”嗎?一些半醒類有機化合物的分子具備“開”和“關”2種電態(tài)功能，可以把它當成一個開關；蛋白質分子中的氫也具備“開”和“關”2種電態(tài)功能，因而也可以把一個蛋白質分子當成一個開關。生物計算機的可能性早在20世紀70年代，人們就發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核8有機分子的優(yōu)點由于有機分子構成的生物化學元件的特殊性，從而使有機計算機具有三大顯著優(yōu)點：體積小，功效高以分子水平的線路為目標的生物化學元件其大小可能達到幾百埃（一萬萬分之一厘米

），1平方毫米的面積上可容數(shù)億個電路，比目前的電子計算機提高了上百倍。使生物本身固有的自我修復機能得到發(fā)揮，這樣即使芯片出了故障也能自我修復，所以有機計算機具有半永久性，可靠性很高。有機分子的優(yōu)點由于有機分子構成的生物化學元件的特殊性，從9有機分子的優(yōu)點從根本上說來，由有機分子構成的生物化學元件是利用化學反應工作的，所以只需很少能量就可工作，不存在發(fā)熱問題。有機計算機目前也正處于研制階段，它一旦制造成功，將使現(xiàn)有的一切電子計算機大為遜色。

有機分子的優(yōu)點從根本上說來，由有機分子構成的生物化學元件是利10什么是生物計算機生物計算機DNA計算機生物計算機的優(yōu)點什么是生物計算機生物計算機DNA計算機生物計算機的優(yōu)點11生物計算機生物計算機主要是以生物電子元件構建的計算機。它利用蛋白質有開關的特性，用蛋白質分子作元件從而制成的生物芯片。其性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關速度來決定的。用蛋白質制成的計算機芯片，它的一個存儲點只有一個分子大小，所以它的存儲容量可以達到普通計算機的十億倍。由蛋白質構成的集成電路，其大小只相當于硅片集成電路的十萬分之一。而且運行速度更快，只有10-11秒，大大超過人腦的思維速度。生物計算機生物計算機主要是以生物電子元件構建的計算機。12DNA計算機科學家研究發(fā)現(xiàn)，脫氧核糖核酸（DNA）有一種特性，能夠攜帶生物體的大量基因物質。從中得到啟迪，正在合作研究制造未來的液體DNA電腦。DNA電腦的工作原理是以瞬間發(fā)生的化學反應為基礎，通過和酶的相互作用，將發(fā)生過程進行分子編碼，把二進制數(shù)翻譯成遺傳密碼的片段，每一個片段就是著名的雙螺旋的一個鏈，然后對問題以新的DNA編碼形式加以解答。DNA計算機科學家研究發(fā)現(xiàn)，脫氧核糖核酸（DNA）有一種特性13生物計算機的優(yōu)點密集度高它體積小，功效高。在一平方毫米的面積上，可容納幾億個電路，比目前的集成電路小得多，用它制成的計算機，已經不像現(xiàn)在計算機的形狀了，可以隱藏在桌角、墻壁或地板等地方。

速度快分子邏輯元件的開關速度比目前的硅半導體邏輯元件開關速度高出1000倍以上。如果讓幾萬億個DNA分子在某種酶的作用下進行化學反應，就能使生物計算機同時運行幾十億次，這就意味著運算速度要比當今最新一代超級計算機快十萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一。生物計算機的優(yōu)點密集度高它體積小，功效高。在一平方毫米的14生物計算機的優(yōu)點可靠性高由生物分子構成的分子集成電路(生物芯片)也同一般的生物體一樣，具有“自我修復”的機能，也就是說，即便這種芯片出了點故障也無關大局，它能夠慢慢地自動恢復過來，達到“自我修復”。所以，這種生物計算機的可靠性非常高，經久耐用，具有“半永久性”。這對于目前的電子計算機來說，簡直是一件不可思議的事情。擬人性生物計算機的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，生物計算機具有生物活性，能夠和人體的組織有機地結合起來，尤其是能夠與大腦和神經系統(tǒng)相連。生物計算機的優(yōu)點可靠性高由生物分子構成的分子集成電路(生15生物計算機的優(yōu)點這樣，生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴充部分，并能由人體細胞吸收營養(yǎng)補充能量，因而不需要外界能源。它將成為能植入人體內，成為幫助人類學習、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的最理想的伙伴。另外，由于生物芯片內流動電子間碰撞的可能極小，幾乎不存在電阻，所以生物計算機的能耗極小。由于蛋白質分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計算機具有生物體的一些特點，比如能模仿人腦的思考機制。生物計算機的優(yōu)點這樣，生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮，16生物計算機的優(yōu)點自我修復性當我們在運動中，不小心碰傷了身體，有的上點兒藥，有的年輕人甚至藥都不上，過幾天，傷口就愈合了。這是因為人體具有自我修復功能。同樣，生物計算機也有這種功能，當它的內部芯片出現(xiàn)故障時，不需要人工修理，能自我修復，所以，生物計算機具有永久性和很高的可靠性。生物計算機的優(yōu)點自我修復性當我們在運動中，不小心碰傷了身17生物計算機的發(fā)展趨勢生物計算機最終會促使電腦與人腦的融合，目前最新一代實驗計算機正在模擬人類的大腦。英國劍橋大學研究發(fā)現(xiàn)了“生物電路”，一些蛋白質的主要功能不是構成生物的某些結構，而是用于傳輸和處理信息。人們正努力尋找神經原與硅芯片之間的相似處，研制基于神經網絡的計算機。盡管目前研制出來的最先進的神經網絡擁有的智力還非常有限，但大多數(shù)科學家認為，仿生計算機是未來發(fā)展之路。國外有科學家預言，到2020年，運算速度更快的生物將取代硅芯片。

生物計算機的發(fā)展趨勢生物計算機最終會促使電腦與人腦的融合，目18生物計算機的發(fā)展趨勢生物計算機能夠如同人腦那樣進行思維、推理，能認識文字、圖形，能理解人的語言，因而可以成為人們生活中最好的伙伴，擔任各種工作，如可應用于通訊設備、衛(wèi)星導航、工業(yè)控制領域，發(fā)揮它重要的作用。美國貝爾實驗室生物計算機部的物理學家們正在研制由芯片構成的人造耳朵和人造視網膜，這項技術的成功有望使聾盲人康復。生物計算機的發(fā)展趨勢生物計算機能夠如同人腦那樣進行思維、