生物计算机，能为摩尔定律“续命”吗？

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

众所周知，传统的计算机使用的是硅芯片，但如今，在几代计算机技术以后，科学家们已经不再满足于使用硅芯片的传统计算机——科学家们开始研究如何在试管中培育出生物有机计算机，而这种由遗传材料制成的生物晶体管的生物计算机，已经是计算机家族的第六代。

1994 年，南加州大学教授伦纳德 · 阿德曼（LeonardAdleman）首次演示了 DNA 计算。仅仅使用 DNA，阿德曼教授就解决了传统计算机无法解决的困难问题。在阿德曼进行了这次实验以后，基于 DNA 的电子线路已经成功实现了布尔逻辑、算术计算以及神经网络计算。现在，这个被称作分子编程的领域正在起飞，为计算机创造一个非凡的未来。

摩尔定律之后

1965 年，《电子》杂志在创刊 35 周年之际，邀请了时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔，为其撰写一篇观察评论，预测微芯片工业的前景。此时，全球半导体产业才刚刚萌芽，英特尔公司都尚未成立，市面上生产和销售的芯片更是屈指可数。摩尔根据有限的数据大胆提出了一条被后人奉为圭臬的路线图——集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔 18-24 个月便会增加一倍，微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。这就是大名鼎鼎的 " 摩尔定律 "。

过去半个世纪里，" 摩尔定律 " 为算力乃至生产力的发展作出了巨大贡献，同时也让整个信息技术实现了全面的迭代和更新，成为了科技创新、乃至于经济学的定律。不管有多少争议，毫无疑问的是，自从提出到现在 50 多年以来，摩尔定律一直都是半导体行业的金科玉律，指导着行业的发展。

1971 年英特尔发布的第一个处理器 4004，就采用 10 微米工艺生产，仅包含 2300 多个晶体管。随后，晶体管的制程节点以 0.7 倍的速度递减，90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm 等等相继被成功研制出来，现在，晶体管已经在向 5nm、3nm 突破。或许，就连摩尔本人都没有想到，这个定律的效力是如此持久。

但在半导体行业高歌猛进的同时，人们却又清楚，这种增长要无限地保持下去是不可能的。" 增加一倍 " 的周期都是 18 个月，意味着每十年晶体管的数量要提高一百倍。这就是为什么半个世纪以来，科学家们也一直在考虑新型计算机模型的研制的原因——电子计算机的工艺制造技术终将达到极限。

在探索非传统的新型计算机模型研究中，生物计算机受到了科学家们的关注。被称为第六代计算机的生物计算机，其主要原材料是借助生物工程技术（特别是蛋白质工程）生产的蛋白质分子，以它作为生物集成电路——生物芯片。

在用蛋白质工程技术生产的生物芯片中，信息以波的形式沿着蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的改变来传递。蛋白质分子比硅晶片上的电子元件要小得多，彼此相距甚近。因此，生物元件可小到几十亿分之一米，元件的密集度可达每平方厘米 10～100 万亿个，甚至 1000 万亿个门电路。

这就意味着，生物计算机每完成一项运算，所需的时间仅为目前硅集成电路计算机的万分之一。事实也确实如此，生物计算机完成一项运算所需的时间仅为 1 × 10-11 秒，比人的思维速度还快 100 万倍。

并且，与普通计算机不同的是，由于生物芯片的原材料是蛋白质分子，所以，生物计算机既有自我修复的功能，又可直接与生物活体结合。同时，生物芯片具有发热少、功耗低、电路间无信号干扰等优点。

高级的存储，惊人的运算

我们已经知道，生物计算机的计算则是指以生物大分子作为 " 数据 " 的计算模型，其中，又主要分为 3 种类型：蛋白质计算、RNA 计算和 DNA 计算。

蛋白质计算模型的研究始于 20 世纪 80 年代中期，Conrad 首先提出用蛋白质作为计算器件的生物计算模型。1995 年，Birge 发现细菌视紫红质蛋白分子具有良好的 " 二态性 "，拟设计、制造一种蛋白质计算机。随后，Birge 的同事，Syracuse 大学的其他研究人员应用原型蛋白质制备出一种光电器件，它存贮信息的能力比目前电子计算机的存贮器高 300 倍，这种器件含细菌视紫红质蛋白，利用激光束进行信息写入和读取。

而不同于蛋白质计算，RNA 计算与 DNA 计算是利用生化反应，更确切地讲，是以核酸分子间的特异性杂交为机理的计算模型。不过，相较于 RNA 分子，DNA 分子在实验操作上要更容易，而且在分子结构上处理信息也更方便。