计算机系统结构读书报告

计算机系统结构读书报告

分子计算机

班级:2008211314

学号:08211556

班内序号:19

姓名:聂广洋

分子计算机的展望及应用

在科技日新月异发展的今天，作为始终走在发展尖端的计算机技术发展创新十分迅速。新型计算机科技层出不穷，随着科技的发展，人们对与计算机的要求也越来也高，现有的计算机越发难以满足人们的需求，就在这时，一个划时代的构想诞生了——分子计算机（DNA 计算机）。分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。此外，分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。

1994年11月，美国计算机科学家 L．阿德勒曼在《科学》上公布了DNA计算机的理论，并成功的运用DNA计算机解决了一个有向哈密尔顿路径问题。这一成果迅速在国际上产生了巨大反响。一些人相信，DNA计算蕴含的理念可使计算的方式产生“进化”。这一全新的计算理论，将在数学与生命科学中产生极其深远而广大的影响。一旦它在实用意义上获得成功，DNA计算将彻底改变计算机硬件的性质。在过去的半个世纪里，计算机完全就是物理芯片的同义词。但阿德勒曼DNA计算机则是一种化学反应计算机。它的基本构想是：以DNA碱基序列作为信息编码的载体，利用现代分子生物学技术，在试管内控制酶作用下的DNA序列反应，作为实现运算的过程；这样，以反应前DNA序列作为输入的数据，反应后的DNA序列作为运算的结果。阿德

勒曼具体应用哈密尔顿有向图这个经典NPC问题，详细描述了他的理论。DNA计算机的提出，产生于这样一个发现，即生物与数学的相似性：①生物体异常复杂的结构是对由DNA序列表示的初始信息执行简单操作（复制、剪接）的结果；②可计算函数f（w）的结果可以通过在w上执行一系列基本的简单函数而获得。阿德勒曼不仅意识到这两个过程的相似性，而且意识到可以利用生物过程来模拟数学过程，更确切地说是，DNA串可用于表示信息，酶可用于模拟简单的计算。这是因为：①DNA是由称作核苷酸的一些单元组成，这些核苷酸随着附在其上的化学组或基的不同而不同。共有四种基：腺瞟吟、鸟瞟吟、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分别用A、G、C、T表示。一些单个的核苷酸顺序连在一起形成DNA链。单链DNA可以看作是由符合A、G、C、T组成的字符串。从数学上讲，这意味着我们可以用一个含有四个字符的字符集∑＝A、G、C、T来为信息编码（电子计算机仅使用0和1这两个数字）。②DNA序列上的一些简单操作需要酶的协助，不同的酶发挥不同的作用。起作用的有四种酶：a．限制性内切酶，主要功能是切开包含限制性位点的双链DNA；b．DNA连接酶，它主要是把一个DNA链的端点同另一个链连接在一起；c．DNA聚合酶，它的功能包括DNA的复制与促进DNA的合成；d．外切酶，它可以有选择地破坏双链或单链DNA分子。正是基于这四种酶的协作实现了DNA计算。

自阿德勒曼用DNA计算机解决了哈密尔顿有向图问题，随后很快便有人用DNA计算机相继解决了其他一些疑难问题（NPC完全问题），如可满足性问题等。与电子计算机相比，DNA计算机有明显的优势。

不过，这些还仅仅是利用分子技术解决的几个特定问题，是为解决特定问题而进行的一次性实验。DNA计算机还没有一个固定的程式。由于问题的多样性导致所采用的分子生物学技术的多样性，具体问题需要设计具体的实验方案。于是，便引出了两个根本性的问题：①DNA 计算机可以解决哪些问题？确切地说，DNA计算机是完备的吗？即通过操纵DNA能完成所有的（图灵机）可计算函数吗？②是否可设计出可编程序的DNA计算机？即是否存在类似于电子计算机的通用计算模型——图灵机——那样的通用DNA系统（模型）？人们正处在对这两个根本性问题的研究过程之中。如今，已经提出了多种DNA计算模型，但各有千秋，公认的DNA计算机的“图灵机”还没有诞生。相对而言，一种被称为“剪接系统”的DNA计算机模型较为成功。

在计算机科学中，众所周知的丘奇一图灵论点深刻地刻画了任何实际计算机的计算能力——任何可计算函数都是可由图灵机计算的函数（一般递归函数）。现已证明：剪接系统是计算完备的，即任何可计算函数都可以用剪接系统来计算。换句话说就是，任何图灵机可计算的函数都可以由这种DNA计算模型来计算。反之亦然。这就回答了DNA计算机可以解决哪些问题——全部图灵机可计算问题。对于是否存在基于剪接的可编程计算机也有了肯定的答案：对每个给定的字符集T，都存在一个剪接系统，其公理集和规则集都是有限的，而且对于以T为终结字符集的一类系统是通用的。这就是说，理论上存在一个基于剪接操作的通用可编程的DNA计算机。程序由往通用计算机公理集中添加的字符串组成。程序会有多个，而可利用的公理集合

有无穷多个。这些计算机使用的生物操作只有合成、剪接（切割一连接）和抽取。理论上DNA计算机具有现代电子计算机同样的计算能力，但它具有的巨大潜力（功能）却是电子计算机不可比拟的：DNA计算机运算速度极快，其几天的运算量就相当于计算机问世以来世界上所有计算机的总运算量；它的贮存容量非常大，1立方分米的DNA溶液可以存储1万亿亿位二进制的数据，超过目前所有计算机的存储容量；它的能量消耗只有一台普通计算机的十亿分之一。如此优越的分子计算机当然是激动人心的。然而它离开发、实际应用还有相当的距离，尚有许多现实的技术性问题需要去解决。如生物操作的困难，有时轻微的振荡就会使DNA断裂；有些DNA会粘在试管壁、抽筒尖上，从而就在计算中丢失了。尽管DNA计算机面对着许许多多的质疑，但它的提出者阿德勒曼教授依然是极其乐观的：DNA计算机刚刚提出，尚在胚胎时期，与发展了半个世纪的电子计算机相比，确实相形见细。在他看来，提出DNA计算机并不就是要与电子计算机竞争。首先，分子计算的观念拓宽了人们对自然计算现象的理解，特别是生物学中基本算法的理解。另外，DNA计算的观念向现有的计算机科学和数学提出了挑战，相信它所蕴涵的理念可以使计算的方式发生进化。

阿得勒曼在提出DNA计算机的时候就相信：DNA计算机所蕴涵的理念可使计算的方式产生进化。后来的研究者就更坚信这一点了。如加拿大的卡尔（L．Kari）就更明确的指出：“DNA计算是考察计算问题的一种全新的方式。或许这正是大自然做数学的方法：不是用加和减，而是用切割和粘贴、用插入和删除。正如用十进制计数是因为

我们有十个手指那样，或许我们目前计算中的基本功能仅因为人类历史使然。正如人们已经采用其它进制计数一样，或许现在是考虑其它的计算方式的时候了”。我们以为，这一说法是很有启示性的。确实，仔细回顾一下人类计算方式或计算技术的历史，就不难体会到目前人们的计算方式确实是一种历史的结果，而非计算本性的逻辑必然。不过为了进一步论证和拓展这一观点，下面有必要就什么是计算。计算的方式是什么等问题给予一个简要的回答。

计算的本质是什么？应该说人类对其已经有了一个基本的清晰的认识，这就是递归论或可计算性理论中所揭示的一个基本内容：计算就是依据一定的法则对有关符号串的变换过程。根据丘奇一图灵论点，一切可计算的函数都是递归函数。抽象地说，计算的本质就是递归。不过这里我们想给出一个直观的描述：计算就是从已知符号开始，一步一步地改变符号串，经过有限步骤后，最终得到一个满足预定条件的符号串的过程。这样一种有限的符号串的变换过程与递归过程是等价的、一致的。所谓计算方式就是符号变换的操作方式，尤其指最基本的动作方式。广义地讲，还应包括符号的载体或符号的外在表现形式。从中国古代的筹算方式（一组竹棍表征）、珠算方式，到后来的笔算方式就是一系列的计算方式的变化（它们各自具有各自的操作方式）。相对于后来的机器计算方式，这些计算的方式均可归结为“手工计算方式”，其特点是用手工操作符号，实施符号的变换——摆排竹棍、拨弄算珠或书写符号。机器计算的历史可以追溯到1641年，当年18岁的法国数学家帕斯卡尔从机械时钟得到启示——

齿轮也能计数，成功地制作了一台齿轮传动的八位加法计算机。这使人类计算方式、计算技术进入了一个新的阶段。后来经过人们数百年的艰辛努力，终于在1945年成功地研制出了世界上第一台电子计算机。从此，人类进入了一个全新的计算技术时代。就电子计算机而言，至今它也经历了四个大的时期。从最早的帕斯卡尔齿轮机到今天最先进的电子计算机，计算技术有了长足的发展。这是一个计算方式发生重大变革的历史时期。这时计算表现为一种物理性质的机械的操作过程。但是，无论是手工计算还是机器计算，其计算方式——操作的基本动作都是一种物理性质的符号变换，具体是由“加”和“减”这种基本动作构成的。二者的区别就在于前者是手工的，后者是自动的。

然而，如今出现的DNA计算则有了更大的本质性的变化。计算不再是一种物理性质的符号变换，而是一种化学性质的符号变换，即不再是物理性质的‘“加”、“减”操作，而是化学性质的切割和粘贴、插入和删除。这种计算方式的变革是前所未有的，具有划时代的意义。它将彻底改变计算机硬件的性质，改变计算机基本的运作方式，其意义将是极为深远的。我们完全可以做这样一番想象，一旦DNA计算机全面实现，那么真正的“人机合一”就会实现。到那时，人们最不需要的就是电脑，因为大脑本身就是一台自然的DNA计算机，人们真正需要的只是一个接口。DNA计算机蕴涵的理念不仅可以使计算的方式产生进化，而且可以使人类的大脑、思维产生进化。这是我们对阿德勒曼认识的一点补充。然而，尽管DNA计算较之以往的各种计算有了重大的变革，但是，在计算本质上，它同人类有史以来的一切计

算都是等价的、一致的。这是因为：任何可计算函数都可由剪接系统来实现，即任何图灵机可计算的函数也可以由DNA计算机来计算。反之，任何由剪接系统计算的函数都可由留灵机计算。这就是说，DNA 计算也是一种递归计算。这一结论有着重要的数学意义。它一方面使人们认识了DNA计算的本质；另一方面进一步证实或支持了丘奇一图灵论点，使丘奇一图灵论点首次获得了电子计算机之外的生物计算机的证实，这种证实自然是更加有力的。

综上所述，我们看到，计算之所以为计算，在于它具有一种根本的递归性，或在于它是一种可一步一步进行的符号串变换操作。至于这种符号变换的操作方式如何，以及符号的载体或其外在表现形式如何，都不是本质性的东西，它们无不是一种历史的结果，无不处于一种不断变革或进化的过程之中。符号可以用一组竹棍表征、用一组算珠表征、用一组字母表征，也可以用齿轮表征、用电流表征，还可以分子表征、电子表征等等。不同表征下的符号变换有着不同的操作方式，甚至同一种表征下的符号变换都可以有不同的操作方式。在此，计算本质的统一性与计算方式的多样性得到了深刻的体现。

根据最新的有关分子计算机科技的新闻报道，日本自然科学研究机构分子科学研究所大森贤治教授领导的一个研究小组近日宣布，他们利用10万亿分之一秒的高强度红外激光脉冲，成功向一个分子中的量子力学原子状态（波函数）瞬间读入信息。现在的高速信息处理依赖基于硅晶体管的大规模集成电路，但更大规模的集成电路会由于绝缘体的幅度达到数个原子层水平后而出现电子渗出，导致过热和错

误发生。最新的纳米技术由于同样以电荷为信息载体，因此也逃不过这一命运。为解决这一难题，研究小组选择了电子性质为中性的量子力学波函数作为信息载体进行试验。大森的研究小组之前曾成功利用0.3纳米尺寸的分子波函数，使超级计算机的傅里叶变换提高1000倍，验证了一个分子可以具有超高速计算机的功能。这一技术比以硅晶体管为基础的元件体积小1000倍，速度却提高1000倍以上。但是，分子内复数的波函数由于分子固有的性质，只能进行几种特定的计算。要实现任意演算，还需要开发出从外部置换分子内部信息的新技术。之前科学家们认为分子中不同能量状态的波函数不发生干扰，而此次研究小组发现，在10万亿分之一秒高强度红外激光脉冲的照射下，不同能量状态的波函数出现了干扰这一全新的物理现象。这种干扰现象可使分子内复数的波函数强度发生变化，进而可成功从外部读入信息。新成果意味着这一技术今后可能成为分子计算机的基础技术，研究小组还将对固体和液体中杂乱的波函数进行复元试验，以期建立分子计算机的基础技术。

我们相信，随着科学技术的不断发展，计算方式的多样性还会有新的表现。既然DNA计算机的出现已经打开了人们畅想未来计算方式的思维视窗，那么就让我们翘首以待吧。

参考文献

[1]L M Adleman. Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems [J].Science, 1994.266. Science，1994． 266．

[2]M Linial. On the Potential of Molecular Computing [J]. Science， 1995．268．

[3]邓少平，等．DNA计算的一些基本问题［J］．科学（中文版），1996（5）．

[4]Barry Cipra．Computer Science discovers DNA［J］．What's Happening in the Mathematical Science．AMS，1996（3）．

[5][6]Lila Kari．DNA Computing：Arrival of Biological Mathematics［J］． The Mathematical Intelligencer．1997（2）．[7][8]邓少平．生命与算法[J]．科学（中文版），1996．10.