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2018年5月22日，加拿大麥吉爾大學(xué)的工程師丹·尼古勞在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》撰文宣稱，他們新發(fā)明的生物計(jì)算機(jī)可成為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的可靠替代品。當(dāng)大家還停留在對(duì)量子計(jì)算機(jī)似懂非懂的階段，它的替代者竟然迫不及待地粉墨登場(chǎng)了。

嶄新的計(jì)算機(jī)

丹·尼古勞為何如此自信？因?yàn)檫@種生物計(jì)算機(jī)“天然”具備同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的能力，也就是計(jì)算機(jī)科學(xué)家所說(shuō)的“并行計(jì)算”。與僅適用于串行計(jì)算（即盡可能快地一次執(zhí)行一個(gè)任務(wù)）的傳統(tǒng)微處理器相比，這是一個(gè)重大的革新。而21世紀(jì)初上市的多核處理器，只是通過(guò)人工手段部分地彌補(bǔ)了這一固有缺陷。

替代者名叫“超級(jí)蛋白質(zhì)”計(jì)算機(jī)，該處理器的有機(jī)電路只需數(shù)秒就能解出極為復(fù)雜的方程，而目前筆記本電腦中的多核處理器求解同樣的方程得耗時(shí)數(shù)月。相反，“超級(jí)蛋白質(zhì)”計(jì)算機(jī)專為并行計(jì)算而生。為什么它具有這種能力？因?yàn)檫@種計(jì)算機(jī)的電路允許多個(gè)因子——替代電子作為信息載體的肌動(dòng)蛋白微絲——同時(shí)運(yùn)行。這一想法最早產(chǎn)生于21世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)科學(xué)家曾設(shè)想使用多個(gè)生物因子，最好是既小又快，來(lái)解答復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。

生物計(jì)算機(jī)的每次計(jì)算，都需要構(gòu)建特定的回路，構(gòu)建回路有賴于有機(jī)玻璃覆蓋的二氧化硅芯片，其上刻有以電子束曝光工藝布局的迷宮般的隧道。這個(gè)階段還談不上有機(jī)——只有將蛋白質(zhì)溶液注入這些納米級(jí)的“隧道”，才最終形成運(yùn)算回路。肌動(dòng)蛋白微絲可以在隧道結(jié)改變方向，相當(dāng)于進(jìn)行了一次運(yùn)算。這套系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠?qū)⒍鄠€(gè)蛋白質(zhì)注入電路：被分流的信號(hào)可以覆蓋整個(gè)回路，由此實(shí)現(xiàn)計(jì)算的同時(shí)性。在肌蛋白計(jì)算機(jī)上，研究團(tuán)隊(duì)成功通過(guò)建模，解出了一個(gè)知名的復(fù)雜數(shù)學(xué)問(wèn)題，即找出任意整數(shù)集（比如2、5、9）蘊(yùn)藏的所有子集。如果使用普通的計(jì)算機(jī)，求解這個(gè)問(wèn)題所花費(fèi)的時(shí)間，將隨著元素?cái)?shù)量的增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，因?yàn)閱?wèn)題的復(fù)雜性隨著每一步運(yùn)算的可選擇性增加而提升，組合的數(shù)量最終將趨向無(wú)窮大。

事實(shí)上，這類問(wèn)題在經(jīng)濟(jì)學(xué)（例如對(duì)投資組合的回報(bào)及風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估），空間和物流管理（交通運(yùn)輸?shù)淖顑?yōu)化、計(jì)算經(jīng)過(guò)71座城市的最短路程……），以及工業(yè)生產(chǎn)（例如提高切割材料的利用率）等領(lǐng)域都十分常見(jiàn)。在面對(duì)這類問(wèn)題時(shí)，傳統(tǒng)的微處理器必須窮舉每一種可能的選項(xiàng)，其數(shù)量甚至可達(dá)5X1080之巨——這幾乎和整個(gè)宇宙的原子總數(shù)相當(dāng)，無(wú)怪乎它們的計(jì)算如此漫長(zhǎng)！

醞釀發(fā)酵很久

盡管現(xiàn)在電子超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力已經(jīng)超乎一般人的想象，但這并不意味著再?zèng)]有提高的空間。而除了計(jì)算能力以外，龐大的體積與驚人的能源消耗也是電子超級(jí)計(jì)算機(jī)不得不面對(duì)的尷尬問(wèn)題。為了克服電子計(jì)算機(jī)的種種缺點(diǎn)，科學(xué)家通過(guò)對(duì)生物組織體研究，發(fā)現(xiàn)組織體是由無(wú)數(shù)的細(xì)胞組成，細(xì)胞由水、鹽、蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)物組成，而有些有機(jī)物中的蛋白質(zhì)分子像開(kāi)關(guān)一樣，具有“開(kāi)”與“關(guān)”的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術(shù)，仿制出這種蛋白質(zhì)分子，用來(lái)作為元件制成計(jì)算機(jī)，科學(xué)家把這種計(jì)算機(jī)叫做生物計(jì)算機(jī)。

1983年，美國(guó)公布了研制生物計(jì)算機(jī)的設(shè)想之后，立即激起了發(fā)達(dá)國(guó)家的研制熱潮。從1984年開(kāi)始，日本每年用于研制生物計(jì)算機(jī)的科研經(jīng)費(fèi)為86億日元。1995年，來(lái)自各國(guó)的200多位專家共同探討了有關(guān)DNA計(jì)算機(jī)的可行性；2011年，發(fā)明了第一個(gè)由DNA分子組成的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以識(shí)別四種簡(jiǎn)單的模式；2018年7月，科學(xué)家推出了“試管人工智能”，通過(guò)正確識(shí)別手寫(xiě)數(shù)字，可以解決經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題。

一根DNA鏈的直徑僅為二十億分之一米，沒(méi)有任何金屬線能加工到這么細(xì)，因此DNA鏈在制造微小電子元件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。雖然科學(xué)家們剛剛開(kāi)始探索在分子機(jī)器中創(chuàng)造人工智能，但它的潛力是不可否認(rèn)的。就像100年來(lái)電子計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)讓人類變得更有能力一樣，在未來(lái)的100年里，人工分子機(jī)器可以讓所有由分子構(gòu)成的東西——可能包括油漆和繃帶——更得力，對(duì)環(huán)境的反應(yīng)也更靈敏。

成本便宜99%

而使用肌蛋白計(jì)算機(jī)，只需花上數(shù)分鐘刻出運(yùn)算所需的專用回路，再向其注入肌蛋白，數(shù)分鐘就能解決這些問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之，在肌蛋白計(jì)算機(jī)中，計(jì)算的復(fù)雜性體現(xiàn)在整個(gè)回路中計(jì)算因子的數(shù)量上，而不是執(zhí)行運(yùn)算的時(shí)間。由于蛋白質(zhì)普遍存在于自然界，這令整套設(shè)備的成本大幅降低，更何況它還具備節(jié)能優(yōu)勢(shì)。蛋白質(zhì)的可動(dòng)性由肌球蛋白保障，后者相當(dāng)于肌動(dòng)蛋白微絲的傳送帶。這些微小分子的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)的。在生物體內(nèi)，肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白對(duì)于肌肉的收縮起著尤為關(guān)鍵的作用。為了給遵循相同機(jī)制運(yùn)作的生物計(jì)算機(jī)補(bǔ)充能量，研究人員在蛋白質(zhì)溶液中加入了ATP（三磷酸腺苷），也就是為生物體新陳代謝提供所需能量的有機(jī)分子。ATP的使用將大幅降低能耗。據(jù)估計(jì)，肌蛋白計(jì)算機(jī)中每平方毫米回路的耗能只有0.25毫瓦，僅為一個(gè)普通多核處理器能耗的1/2000 ！

肌蛋白計(jì)算機(jī)不僅能耗低，而且其主要材料蛋白質(zhì)也談不上有什么成本。在制造工藝簡(jiǎn)化后，原先耗費(fèi)高昂的芯片融合、真空腔體和電路調(diào)整等工序也不再是必須的了——與硅基電路相比，肌蛋白計(jì)算機(jī)的成本有望降低99%。而這還不是用生物分子替代傳統(tǒng)電子元件的首個(gè)案例——以DNA為基礎(chǔ)的生物計(jì)算概念早已形成，但肌蛋白計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，無(wú)疑給世人點(diǎn)燃了一盞尋求硅基計(jì)算替代物的新明燈。

完全取代電子元件？

有朝一日，電子元件會(huì)被完全替代嗎？言之過(guò)早。目前的生物計(jì)算機(jī)還十分簡(jiǎn)陋，要克服眼下的一堆技術(shù)困難，沒(méi)個(gè)十幾年時(shí)間是不行的。這些生物計(jì)算機(jī)不會(huì)取代電子設(shè)備，即便它們更擅長(zhǎng)應(yīng)付某些問(wèn)題，但反之亦然。至少目前而言，它們是為處理特定問(wèn)題而專門設(shè)計(jì)的，并不適用于解決普通問(wèn)題。然而興許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，就會(huì)有那么一些以硅和有機(jī)物共同組成的混合式超級(jí)計(jì)算機(jī)，作為生命與電子元件聯(lián)姻的最佳代表呈現(xiàn)在我們面前。

生物計(jì)算機(jī)技術(shù)一旦成熟，可能會(huì)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)引起一場(chǎng)劃時(shí)代的革命。與傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的順序線性處理模式不同，生物計(jì)算機(jī)具有并行計(jì)算的能力，因此能夠更加高效地解決復(fù)雜的平行問(wèn)題，這對(duì)于計(jì)算量巨大的密碼學(xué)與數(shù)學(xué)優(yōu)化領(lǐng)域大有幫助。不僅如此，而且與動(dòng)輒需要占用幾層樓的超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，一本書(shū)的大小實(shí)在是太迷你了。美國(guó)、日本、德國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家都在積極推進(jìn)生物芯片的開(kāi)發(fā)研究。不過(guò)，研究人員認(rèn)為，目前生物計(jì)算還存在一些運(yùn)行上的障礙，如大規(guī)模操作的困難、非特異性吸附及復(fù)制過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤的容錯(cuò)能力較差等問(wèn)題。因此，生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展可能還需要經(jīng)過(guò)一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程。