生物计算机时代即将来临_许进.pdf

展 进 r e 编者按 超级计算是国家最核心的基础能力之一。与电子计算机相比，生物计算机在存储、计算、效能等方 t 究 u 研 p 面超乎想象的巨大潜力，对我国未来的国家安全和基于“大数据”的经济社会发展具有十分重大的战略意 m 机 o C 算l 义。本刊特推出专栏，从多侧面评述该领域的进展，希望其能引起读者和相关决策者的关注。 a c 计i g o 物l o 生i B n i s e c n a v d 生物计算机时代 A 即将来临* 文/许 进 北京大学信息科学技术学院 北京 100871 【摘 要】生物计算机是以核酸分子作为“数据”，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1959年，诺贝尔奖获得者Feynman 提出 利用分子尺度研制计算机；1994年，图灵奖获得者Adleman 提出基于生化反应机理的DNA 计算模型；在生物计算机方面突破性工作是北京大学在2007 年提出的并行型DNA 计算模 型，将具有61 个顶点的一个3- 色图的所有48 个3-着色全部求解出来，其算法复杂度为359 ，而 此有哪些信誉好的足球投注网站次数，即使是当今最快的超级电子计算机，也需要13 217 年方能完成，该结果似乎预 示着生物计算机时代即将来临。文章重点介绍了生物计算机的产生背景及意义；DNA 计算 机，特别是中州I-型DNA 计算机的基本原理、计算方法与步骤；DNA 计算机的研究进展，特 别指出在密码分析与破译等领域的应用；分析了DNA 计算机的能力，指出了研究中的难点、 发展趋势，最后对我国生物计算机发展提出了一些建议。 【关键词】生物计算机，非枚举型DNA 计算机，并行型DNA 计算机，大规模型DNA 计算机， 密码分析与破译，研究进展，发展建议 DOI 10.3969/j.issn. 1000-3045.2014.01.007 1 生物计算机产生背景与意义 算工具也随之进步与发展。人类文明时代可分为 石器时代、铁器时代、蒸汽机时代、电气时代以及 计算工具是人类文明生活中不可缺少的工具 信息时代等阶段。在这几个阶段里，计算工具也 之一。伴随着人类文明程度不断进步和发展，计 * 基金项目：973 项目（2013CB329601,2013CB329602 ），国家自然科学基金重大仪器专项），国家自然科学基金项目 ） 修改稿收到日期：2014 年1 月5 日 . . 42 2014 年 第29 卷 第1期 生物计算机时代即将来临 历经了由简单到复杂、从低级到高级的不同 蛋白质制备出一种光电器件, 它存贮信息的 演化过程，从“结绳记事”中的绳结、算筹、算 能力比目前电子计算机的存贮器高300 倍, 盘、计算尺、机械计算机，直到当今的电子计 这种器件含细菌视紫红质蛋白, 利用激光束 算机，它们在不同的历史时期发挥了各自的 进行信息写入和读取[9] 。该蛋白质计算模型 历史作用。