生物计算机课件.pptx

计算机的未来——生物计算机 目录发展生物计算机的原因生物计算机定义生物计算机的原理生物计算机的优点生物计算机的发展生物计算机的瓶颈 发展生物计算机的原因目前以集成电路为基础的传统计算机已经快要发展到极限。按照目前的速度，计算机发展遵循的“摩尔定律”（每18个月芯片速度翻一番，价格降低一半）将会失效。从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。 一旦芯片上线条的宽度达到纳米数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作。目前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管。再增加是很困难的，必须想别的出路。生物技术与计算机技术联姻的生物计算机成为计算机发展的一个新的突破口。生物计算机就是利用生物分子代替硅，实现更大规模的高度集成。（《生物计算机时代即将到来》许进） 什么是生物计算机生物计算机又称仿生计算机，是以生物芯片取代在半导体硅片上集成数以万计的晶体管制成的计算机。它的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。（《生物计算机》常红）生物计算机 早在20世纪70年代，人们就发现脱氧核糖核酸(DNA)处于不同状态时可以代表“有信息”或“无信息”。于是，科学家设想：假若有机物的分子也具有这种“开”和“关”的功能，那岂不可以把它们作为计算机的基本构件，从而造出“有机物计算机”吗?（《生物计算机》黄俞成）生物计算机的原理 一些半醒类有机化合物的分子具备“开”和“关”2种电态功能，可以把它当成一个开关；蛋白质分子中的氢也具备“开”和“关”2种电态功能，因而也可以把一个蛋白质分子当成一个开关。（《生物计算机》黄俞成） DNA片段数据生物酶或生化操作信息处理加工DNA片段生物酶等可控的生化反应或生化操作DNA片段输入输出（《生物计算机时代即将到来》许进） 生物计算机的优点由于有机分子构成的生物化学元件的特殊性，从而使有机计算机具有三大显著优点：体积小，功效高以分子水平的线路为目标的生物化学元件其大小可能达到几百埃（一万万分之一厘米），1平方毫米的面积上可容数亿个电路，比目前的电子计算机提高了上百倍。使生物本身固有的自我修复机能得到发挥，这样即使芯片出了故障也能自我修复，所以有机计算机具有半永久性，可靠性很高。 从根本上说来，由有机分子构成的生物化学元件是利用化学反应工作的，所以只需很少能量就可工作，不存在发热问题。有机计算机目前也正处于研制阶段，它一旦制造成功，将使现有的一切电子计算机大为逊色（《生物计算机前景迷人》马建军） 优点集成度处理速度能耗自我修复能力与人脑的匹配度生物计算机一平方毫米可以容纳几亿个电路。运算速度要比当今最新一代超级计算机快十万倍为普通计算机的几亿分之一有生物计算机具有生物活性，能够和人体的组织有机地结合起来，尤其是能够与大脑和神经系统相连。传统计算机一平方毫米到千万级，并且极难增加最新一代的超级计算机运算为每秒万万亿次大约为几百瓦无基本不存在匹配可能生物计算机传统计算机的优点对比 生物计算机发展历程1994年11月美国加利福尼亚大学伦纳德·阿德拉曼博士在《科学》杂志上首先公布了DNA计算机工作原理。1994年阿德拉曼在DNA溶液试管中成功地试验了运算过程。1998年9月，普林斯顿研究所的两位科学家在世界上首次获得了DNA计算机的第一项专利，2001年以色列科学家魏茨曼首次研制成功亿次每秒运算速度的样机．并开始初步应用，使巧妙地解决一些相当复杂的运算问题；目前科学家已研制出生物计算机的主要部件———生物芯片，但是它距离大规模量产依然有很远的距离2002年2月．日本奥林巴斯公司声称与东京大学联合研制成功投入商圈的基因汁算机．声称可以进行基因检测。 生物计算机最终会促使电脑与人脑的融合，目前最新一代实验计算机正在模拟人类的大脑。英国剑桥大学研究发现了“生物电路”，一些蛋白质的主要功能不是构成生物的某些结构，而是用于传输和处理信息。人们正努力寻找神经原与硅芯片之间的相似处，研制基于神经网络的计算机。尽管目前研制出来的最先进的神经网络拥有的智力还非常有限，但大多数科学家认为，仿生计算机是未来发展之路。国外有科学家预言，到2020年，运算速度更快的生物将取代硅芯片。生物计算机的发展趋势 生物计算机的应用前景通过生物计算机，让科学家对分子进行“编程”，并由活细胞执行“命令”。生物计算机能够如同人脑那样进行思维、推理，能认识文字、图形，能理解人的语言，因而可以成为人们生活中最好的伙伴，担任各种工作，如可应用于通讯设备、卫星导航、工业控制领域，发挥它重要的作用。 通过生物计算机，制造有机分子元件去代替目前的半导体逻辑元件和存储元件，使未来的计算机更加轻便，高效，让计算机产业进入一个新的时代。通过研制一种具有生命力的智能神经网络，并将神经网络的神经元与计算机芯片连接起来，用生物计算机来控制芯片上的神经元，进而达到控制动物的神经元（《生物计算机前景迷人》马建军）。 生物计算机的瓶颈生物计算机作为即将完善的新一代计算机，其优点是十分明显的。但它也有自身难以克服的缺点。其中最主要的便是从中提取信息困难。一种生物计算机24小时就完成了人类迄今全部的计算量，但从中提取一个信息却花费了1周。这也是目前生物计算机没有普及的最主要原因。尽管如此，我们依然有理由相信科学的力量会攻克这些难题，未来的计算机领域将是生物计算机的世界。 参考文献1.常红《生物计算机》百科知识2008102.许进《生物计算机时代即将来临术》中科院院刊2014013.马建军《生物计算机前景迷人》现代物理知识2002014.黄俞成《生物计算机》信息时代导刊 谢谢，观看