技术极大地影响了科学的发展。 贾涅克布罗斯 / 盖蒂图片社

　　即使在您阅读本文时，计算机芯片制造商也在疯狂地竞相制造下一个 微处理器 这将推翻速度记录。不过，这场竞争迟早会碰壁。由硅制成的微处理器最终将达到其速度和小型化的极限。芯片制造商需要一种新材料来产生更快的计算速度。

　　你不会相信科学家在哪里找到了构建下一代微处理器所需的新材料。数以百万计的自然超级计算机存在于生物体内，包括你的身体。DNA(脱氧核糖核酸)分子，即构成我们基因的材料，有可能比世界上最强大的人造计算机快很多倍。有朝一日，DNA可能会被整合到计算机芯片中，创造出一种所谓的生物芯片，将推动计算机更快。DNA分子已经被利用来执行复杂的数学问题。

　　虽然他们还处于襁褓之中， 脱氧核糖核酸计算机 将能够存储比您的个人计算机多数十亿倍的数据。在本文中，您将了解科学家如何使用遗传物质来创建纳米计算机，这些计算机可能在未来十年内取代硅基计算机。

　　DNA计算技术

　　DNA计算机在您当地的电子产品商店还找不到。这项技术仍在开发中，十年前甚至还没有作为一个概念存在。1994年，伦纳德·阿德曼(Leonard Adleman)提出了使用DNA解决复杂数学问题的想法。阿德勒曼，计算机科学家 南加州大学，在阅读了詹姆斯·沃森(James Watson)撰写的《基因的分子生物学》(Molecular Biology of the Gene)一书后得出结论，DNA具有计算潜力，詹姆斯·沃森(James Watson)于1953年共同发现了DNA的结构。事实上，DNA与计算机非常相似。 硬盘 它如何存储有关您的基因的永久信息。

　　阿德曼通常被称为DNA计算机的发明者。他在1994年出版的杂志上发表的文章 科学 概述了如何使用DNA来解决一个众所周知的数学问题，称为 定向汉密尔顿路径问题，又称“旅行推销员”问题。问题的目标是找到多个城市之间的最短路线，每个城市只经过一次。随着您向问题中添加更多城市，问题变得更加困难。阿德曼选择在七个城市之间寻找最短的路线。

　　你可能会把这个问题写在纸上，并比阿德曼使用他的DNA试管计算机更快地找到解决方案。以下是Adleman DNA计算机实验中采取的步骤：

　　DNA链代表七个城市。在基因中，遗传编码由字母A，T，C和G表示。这四个字母的某些序列代表了每个城市和可能的飞行路径。

　　然后将这些分子混合在试管中，其中一些DNA链粘在一起。这些链条代表了一个可能的答案。

　　在几秒钟内，代表答案的所有可能的DNA链组合都在试管中创建。

　　阿德曼通过化学反应消除了错误的分子，只留下了连接所有七个城市的飞行路径。

　　AdlemanDNA计算机的成功证明了DNA可以用来计算复杂的数学问题。然而，这种早期的DNA计算机远未挑战硅基计算机。 速度.Adleman的DNA计算机很快就创造了一组可能的答案，但Adleman花了几天时间才缩小了可能性的范围。他的DNA计算机的另一个缺点是它需要 人工协助.DNA计算领域的目标是创建一个可以独立于人类参与工作的设备。

　　在阿德勒曼的实验三年后，研究人员在 罗切斯特大学 发达 逻辑门 由DNA制成。逻辑门是计算机如何执行您命令它执行的功能的重要组成部分。这些门将通过计算机移动的二进制代码转换为计算机用于执行操作的一系列信号。目前，逻辑门解释来自 硅晶体管，并将这些信号转换为允许计算机执行复杂功能的输出信号。

　　罗切斯特团队的DNA逻辑门是创建具有类似于电子设备结构的计算机的第一步。 个人电脑.这些DNA逻辑门不是使用电信号来执行逻辑操作，而是依赖于DNA代码。他们检测碎片 遗传物质 作为输入，将这些片段拼接在一起并形成单个输出。例如，一个 基因门 称为“和门”通过化学结合将两个DNA输入连接起来，使它们被锁定在一个端到端的结构中，类似于两个乐高积木可能被第三个乐高固定的方式。研究人员认为，这些逻辑门可能与DNA微芯片相结合，在DNA计算方面取得突破。

　　DNA计算机组件 -- 逻辑门 和 生物芯片 - 需要数年时间才能发展成实用的，可行的DNA计算机。科学家说，如果这样的计算机建成，它将比传统计算机更紧凑、更准确、更高效。在下一节中，我们将研究DNA计算机如何超越其硅基前辈，以及这些计算机将执行哪些任务。

　　超越硅?

　　尽管DNA计算机尚未超越硅基微处理器，但研究人员在使用遗传密码进行计算方面取得了一些进展。2003年，以色列科学家展示了一台有限但功能正常的DNA计算机。您可以在以下位置阅读更多相关信息 国家地理.

　　硅与DNA微处理器

　　40 多年来，硅微处理器一直是计算世界的核心。在那段时间里，制造商将越来越多的电子设备塞进了他们的微处理器上。根据 摩尔定律，安装在微处理器上的电子设备数量每 18 个月翻一番。摩尔定律以英特尔创始人戈登·摩尔的名字命名，他在1965年预测微处理器的复杂性每两年翻一番。许多人预测摩尔定律很快就会走到尽头，因为硅微处理器的物理速度和小型化限制。

　　DNA计算机有可能将计算提升到新的水平，从摩尔定律开始。使用DNA代替硅有几个优点：

　　只要有细胞生物，总会有 供应 的脱氧核糖核酸。

　　DNA的大量供应使其成为 便宜 资源。

　　与用于制造传统微处理器的有毒材料不同，DNA生物芯片可以制造。 干净.

　　DNA计算机是很多次 较小 比今天的计算机。

　　DNA的主要优势在于，它将使计算机比之前的任何计算机都小，同时保存更多的数据。一磅DNA能够存储比有史以来所有电子计算机更多的信息;使用DNA逻辑门的泪滴大小的DNA计算机的计算能力将比世界上最强大的超级计算机更强大。超过10万亿个DNA分子可以放入不超过1立方厘米(0.06立方英寸)的区域。有了这少量的DNA，一台计算机将能够容纳10 太字节 数据，并一次执行 10 万亿次计算。通过添加更多的DNA，可以进行更多的计算。

　　与传统计算机不同，DNA计算机执行计算 平行 到其他计算。传统计算机是线性运行的，一次承担一项任务。正是并行计算使DNA能够在数小时内解决复杂的数学问题，而电子计算机可能需要数百年才能完成它们。

　　第一台DNA计算机不太可能具有文字处理功能， 电子邮件 和纸牌程序。相反，它们强大的计算能力将被各国政府用于破解密码，或者 航空公司 想要绘制更高效的路线。研究DNA计算机也可能使我们更好地了解更复杂的计算机 - 人脑。

　　常见问题

　　谁发明了DNA计算?

　　DNA计算是由美国南加州大学计算机科学和分子生物学教授伦纳德·阿德勒曼(Leonard Adleman)于1994年发明的。