提速10000倍！从DNA诞生的计算机

　　横跨物理与生物两大领域的分子生物学是当今自然科学的掌上明珠，日新月异的计算机芯片业则是现代应用科技的当红太子，而本文的主角—DNA计算机就是这两位所摩擦出的灿烂火花。反过来，这道希望之光也照亮了计算机业和分子生物学的未来：在前者的远景中，突破硅芯片散热与能耗极限的新形态超级计算机已经轮廓初显；在后者的远景中，神奇美妙的DNA生物芯片也遥遥在望。下面，我们将就这项终极科技的由来与成长，以及如何开花和结果进行多角度的观察。

　　DNA也能“运算”

DNA计算机之父Adleman博士

　　我们知道，现代计算机的所有传奇都是围绕“1和0”、“开与关”的故事来展开，“1”和“0”是所有运算的基础，真空管、晶体管、大规模集成电路均是如此。1994年，美国南加州大学Adleman博士发现，形成我们每个人特质的基础、在每根头发上都可以找到一大把的DNA分子，原来也能表达“1”和“0”以进行运算。他将自己的DNA运算理论在著名学术期刊《Science》上公布，并在装有DNA溶液的试管中成功地进行了运算实验。

　　这种新型“计算机”的工作方式与目前的冯·诺伊曼式计算机完全不同。它利用DNA在酶的作用下会发生化学反应的原理，使用两种酶作为计算机的“硬件”，输入/输出的“数据”都是DNA链，将DNA链混合进溶有酶的溶液中就会自动发生反应，很快就能“运算”完毕生成新的DNA链。

　　精彩之处在于，用这种装满有机液体的小试管和分子开关构成的“计算机”，Adleman博士用一个星期的时间就完成了一项当时电脑需要几年时间才能完成的计算工作，即解答七桥问题，或称汉密尔顿路径问题（Hamiltonian cycle problem）：“由14条单行道连接着7座城市，找出走过上述全部城市的最近路途，而且不能走回头路”。通过控制单条DNA链，以预定方式和其它DNA链相连的穷举法运算，Adleman得到了一个最短的DNA分子链。受此启发，全球数十个实验室投入该项研究，DNA计算机的研发从此拉开序幕。

　　无可比拟的先天优势

　　DNA计算机最大的特质是纳米级的工作环境，最大的优点是具有空前强大的并行运算能力，两者相加诞生了以下这些诱人的先天性优势。

汉密尔顿路径问题

　　1.超高密度。DNA能够在微小的体积中存储海量的信息，按照0.34纳米的叠层间距计算，1立方厘米DNA溶液就比1万亿张CD光盘的存储容量还要多。采用DNA分子制成生物电子元件大小只有几十亿分之一米，加之DNA天然独特的立体结构，其存储密度要比平面硅集成电路高出10万倍以上！

　　2.超快速度。DNA计算机的并行处理能力意味着，如果让几万亿个DNA分子在某种酶的作用下进行化学反应，就能使DNA计算机同步运算几十亿次，这就好比一款具有几十亿个核心的CPU在全速运算！DNA分子的运算时间只需要10-11秒，要比目前的硅逻辑元件开关速度高出1000倍以上，运算速度比当前的计算机快1万倍以上！同时因为它的密度比大脑神经元的密度高100万倍，因此DNA计算机内部信息传输的速度也要比人脑思维的速度快100万倍。

　　3.超低功耗。DNA计算机是利用酶的催化反应来进行工作的，所需能量极少，仅相当于普通计算机的十亿分之一，几乎可以认为，DNA的计算不存在发热的问题。

　　4.自我修复。DNA分子构成的分子集成电路如同所有的生物体和细胞一样，具有自我修复的能力。如同断尾的壁虎还能长出新的尾巴，未来的DNA生物芯片一旦出现故障，将具有自愈能力。

　　凭借上述的突出优势，DNA计算机成为未来计算机的研究热点之一也就不难理解了。