六代计算机——生物计算机.pptx

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1、会计学1六代计算机六代计算机生物计算机生物计算机生物计算机是什么？生物计算机是什么？n n生物计算机也称仿生计算机，主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，生物计算机也称仿生计算机，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来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。生物计算机的庐山真面目第1页/共14页生物计算机的简介生物计算机的简介n n生物计算机是以核酸分子作为生物计算机是以核酸分子作为“数据数据”，以生物酶及生物操作作为信息处理，以生物酶及生物操作作为信息处理工具的一种新颖的计算机模型。生物计算的早期构想始于

2、工具的一种新颖的计算机模型。生物计算的早期构想始于19591959年，诺贝尔奖年，诺贝尔奖获得者获得者FeynmanFeynman提出利用分子尺度研制计算机；提出利用分子尺度研制计算机；2020世纪世纪7070年代以来，人们发现年代以来，人们发现脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)(DNA)处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。n n20072007年提出的并行型年提出的并行型DNADNA计算模型，将具有计算模型，将具有6161个顶点的一个个顶点的一个3-3-色图的所有色图的所有4848个个3-3-着色全部求解出来，其算法复杂度为，而此搜索次

3、数，即使是当今最快着色全部求解出来，其算法复杂度为，而此搜索次数，即使是当今最快的超级电子计算机，也需要的超级电子计算机，也需要13 21713 217年方能完成，该结果似乎预示着生物计算机年方能完成，该结果似乎预示着生物计算机时代即将来临。时代即将来临。第2页/共14页生物芯片生物芯片n n生物工程技术产生的蛋白质分子，作为生物芯片。生物芯片比硅芯片上的电生物工程技术产生的蛋白质分子，作为生物芯片。生物芯片比硅芯片上的电子元件要小很多，而且生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要子元件要小很多，而且生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型的硅集成电路高五个数量级。可以让让

4、几万亿个比平面型的硅集成电路高五个数量级。可以让让几万亿个DNADNA分子在某种酶分子在某种酶的作用下进行化学反应就能使生物计算机同时运行几十亿次。的作用下进行化学反应就能使生物计算机同时运行几十亿次。生物芯片生物计算机的重要组成部分第3页/共14页生物计算机的优点生物计算机的优点n n19831983年美国提出了生物计算机的概念。此后，各个发达国年美国提出了生物计算机的概念。此后，各个发达国家开始研制生物计算机。家开始研制生物计算机。生物学家将仿生学运用到生物生物学家将仿生学运用到生物计算机领域，产生了生物化学分子构架生物计算机的观点。计算机领域，产生了生物化学分子构架生物计算机的观点。生物

5、计算机目前仍旧处于蓬勃兴起阶段，国内外正在积极生物计算机目前仍旧处于蓬勃兴起阶段，国内外正在积极地研制新型生物芯片。尽管生物计算机尚未有取得重大颠地研制新型生物芯片。尽管生物计算机尚未有取得重大颠覆性的进展，甚至部分学者提出生物计算机目前出现的一覆性的进展，甚至部分学者提出生物计算机目前出现的一系列缺点，例如遗传物质的生物计算机受外界环境因素的系列缺点，例如遗传物质的生物计算机受外界环境因素的干扰、计算结果无法检测、生物化学反应无法保证成功率干扰、计算结果无法检测、生物化学反应无法保证成功率等，此外，以蛋白质分子为主的芯片上很难运行文本编辑等，此外，以蛋白质分子为主的芯片上很难运行文本编辑器。

6、但这些并不影响生物计算机这个存在巨大诱惑的领域器。但这些并不影响生物计算机这个存在巨大诱惑的领域的快速发展，随着人类技术的不断进步，这些问题终究会的快速发展，随着人类技术的不断进步，这些问题终究会被解决，生物计算机商业化繁荣将到来。被解决，生物计算机商业化繁荣将到来。第4页/共14页生物计算机的五大优点生物计算机的五大优点n n1.1.体积小体积小,功效高功效高n n2.2.生物计算机的芯片永久性与可靠性生物计算机的芯片永久性与可靠性n n3.3.生物计算机的存储与并行处理生物计算机的存储与并行处理n n4.4.无发热与信号干扰无发热与信号干扰n n5.5.数据错误率数据错误率第5页/共14页

7、优点一优点一体积小体积小,功效高功效高n n生物计算机的面积上可容纳数亿个电路生物计算机的面积上可容纳数亿个电路,比目前的电子比目前的电子计算机提高了上百倍。同时，生物计算机，已经不再具计算机提高了上百倍。同时，生物计算机，已经不再具有计算机的形状，可以隐藏在桌角、墙壁或地板等地方，有计算机的形状，可以隐藏在桌角、墙壁或地板等地方，同时发热和电磁干扰都大大降低。同时发热和电磁干扰都大大降低。图中的生物计算机与人的手指差不多大第6页/共14页优点二优点二生物计算机的芯片永生物计算机的芯片永久性与可靠性久性与可靠性n n生物计算机具有永久性和很高的可靠性。若能使生物本身的修复机制得到发生物计算机具

8、有永久性和很高的可靠性。若能使生物本身的修复机制得到发挥，则即使芯片出了故障也能自我修复。（这是生物计算机极其诱人的潜在挥，则即使芯片出了故障也能自我修复。（这是生物计算机极其诱人的潜在优势）蛋白质分子可以自我组合，能够新生出微型电路，具有活性，因此生优势）蛋白质分子可以自我组合，能够新生出微型电路，具有活性，因此生物计算机拥有生物特性。生物计算机不再像电子计算机那样，芯片损坏后无物计算机拥有生物特性。生物计算机不再像电子计算机那样，芯片损坏后无法自动修复，生物计算机能够发挥生物调节机能，自动修复受损芯片。因此，法自动修复，生物计算机能够发挥生物调节机能，自动修复受损芯片。因此，生物计算机可靠

9、性非常高，不易损坏，即使芯片发生故障，也可以自动修复。生物计算机可靠性非常高，不易损坏，即使芯片发生故障，也可以自动修复。因此，生物计算机芯片具有一定的永久性。因此，生物计算机芯片具有一定的永久性。第7页/共14页优点三优点三生物计算机的存储与生物计算机的存储与并行处理并行处理n n生物计算机在存储方面与传统电子学计算机相比具有巨大优势。一克生物计算机在存储方面与传统电子学计算机相比具有巨大优势。一克DNADNA存存储信息量可与一万亿张储信息量可与一万亿张CDCD相当，存储密度是通常使用磁盘存储器的相当，存储密度是通常使用磁盘存储器的10001000亿到亿到1000010000亿倍。生物计算机

10、还具有超强的并行处理能力，通过一个狭小区域的生亿倍。生物计算机还具有超强的并行处理能力，通过一个狭小区域的生物化学反应可以实现逻辑运算，数百亿个物化学反应可以实现逻辑运算，数百亿个DNADNA分子构成大批分子构成大批DNADNA计算机并行计算机并行操作。尤其是生物神经计算机，具备很好的并行式分布式存储记忆，广义容操作。尤其是生物神经计算机，具备很好的并行式分布式存储记忆，广义容错能力。在处理玻尔兹曼自动机模型和一些非数值型问题时表现出巨大潜力。错能力。在处理玻尔兹曼自动机模型和一些非数值型问题时表现出巨大潜力。真正摆真正摆.脱冯诺依曼模型，真正实现智能。脱冯诺依曼模型，真正实现智能。n n生物

11、计算机传输数据与通讯过程简单，其并行处理能力可与超级电子计算机生物计算机传输数据与通讯过程简单，其并行处理能力可与超级电子计算机媲美，通过媲美，通过DNADNA分子碱基不同的排列次序作为计算机的原始数据，对应的酶分子碱基不同的排列次序作为计算机的原始数据，对应的酶通过生物化学变化对通过生物化学变化对DNADNA碱基进行基本操作，能够实现电子学计算机的各种碱基进行基本操作，能够实现电子学计算机的各种功能。功能。n n生物计算机中含有大量遗传物质工具，能够同时进行上百万次计算。传统电生物计算机中含有大量遗传物质工具，能够同时进行上百万次计算。传统电子计算机是以电流速度逐个检验所有可能的解决方案，生

12、物计算机同时处理子计算机是以电流速度逐个检验所有可能的解决方案，生物计算机同时处理各分子库中的所有分子，无需按照次序分析可能的答案。电子计算机相当于各分子库中的所有分子，无需按照次序分析可能的答案。电子计算机相当于有一串钥匙，一次用一把钥匙开锁，生物计算机在开锁时一次用几百万把钥有一串钥匙，一次用一把钥匙开锁，生物计算机在开锁时一次用几百万把钥匙，其计算速度也将比现有超级计算机快匙，其计算速度也将比现有超级计算机快100100万倍。生物计算机运算次数可高万倍。生物计算机运算次数可高达每秒或更高，进一步研制并结合其它高新技术，生物计算机具有广阔前景。达每秒或更高，进一步研制并结合其它高新技术，生

13、物计算机具有广阔前景。第8页/共14页优点四优点四无发热与信号干扰无发热与信号干扰n n生物计算机的元件是由有机分子生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以；只需用化学反应工作的，所以；只需要很少的能量就可以工作了，因要很少的能量就可以工作了，因此，不会像电子计算机那样，工此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而作一段时间后，机体会发热，而生物计算机的电路间也没有信号生物计算机的电路间也没有信号干扰。干扰。第9页/共14页优点五优点五数据错误率数据错误率n nDNADNA链的另一个重要性质是双螺旋结构，链的另一个

14、重要性质是双螺旋结构，A A碱基与碱基与T T碱基、碱基、C C碱基与碱基与GG碱基形碱基形成碱基对。每个成碱基对。每个DNADNA序列有一个互补序列。这种互补性是生物计算机具备独序列有一个互补序列。这种互补性是生物计算机具备独特优势。如果错误发生在特优势。如果错误发生在DNADNA某一双螺旋序列中，修改酶能够参考互补序列某一双螺旋序列中，修改酶能够参考互补序列对错误进行修复。双螺旋结构相当于计算机硬盘对错误进行修复。双螺旋结构相当于计算机硬盘RAID1RAID1阵列，一块硬盘位另阵列，一块硬盘位另一块硬盘的镜像，当第一块硬盘破坏时，可通过第二块硬盘进行数据修复。一块硬盘的镜像，当第一块硬盘破

15、坏时，可通过第二块硬盘进行数据修复。生物计算机自身具备修改错误特性，因此，生物计算机数据错误率较低。生物计算机自身具备修改错误特性，因此，生物计算机数据错误率较低。第10页/共14页生物计算机的缺点生物计算机的缺点n n生物计算机作为即将完善的新一代计算机，其优点是十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。一种生物计算机的便是从中提取信息困难。一种生物计算机2424小时就完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成了人类迄今全部的计算量，但从中提取一个

16、信息却花费了费了1 1周。这也是目前生物计算机没有普及的最主要原因。周。这也是目前生物计算机没有普及的最主要原因。第11页/共14页生物计算机种类生物计算机种类n n生物分子或超分子芯片生物分子或超分子芯片n n自动机模型自动机模型n n仿生算法仿生算法n n生物化学反应算法生物化学反应算法n n细胞计算机细胞计算机第12页/共14页研究方向研究方向n n生物计算机是人类期望在生物计算机是人类期望在2121世纪完成的伟大工程。是计世纪完成的伟大工程。是计算机世界中最年轻的分支。目前的研究方向大致是两个：算机世界中最年轻的分支。目前的研究方向大致是两个：一是研制分子计算机，即制造有机分子元件去代替目前一是研制分子计算机，即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；另一方面是深入研究人的半导体逻辑元件和存储元件；另一方面是深入研究人脑的结构、思维规律，再构想生物计算机的结构。脑的结构、思维规律，再构想生物计算机的结构。第13页/共14页