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存儲(chǔ)力和算力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方式

張成介紹道，DNA計(jì)算的最大優(yōu)勢(shì)在于其高并行性，即DNA的每條單鏈都可被看成是一臺(tái)計(jì)算設(shè)備，其內(nèi)部海量的鏈條則可被看成一個(gè)“機(jī)房”，這就相當(dāng)于成百上千臺(tái)計(jì)算機(jī)在同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。

這種高并行性極大地提升了運(yùn)算速度。舉例來說，若想從億萬人中找出一個(gè)手拿釘子的人，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)往往要一個(gè)一個(gè)篩，直到檢索出目標(biāo)；而DNA計(jì)算模式，則可并行對(duì)1018個(gè)人同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，其計(jì)算速度相當(dāng)可觀。“高并行性讓DNA計(jì)算具備了進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算的能力，可用于專用計(jì)算。”劉向榮表示。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授許進(jìn)曾撰文表示，一臺(tái)DNA計(jì)算機(jī)在一周的運(yùn)算量或相當(dāng)于所有電子計(jì)算機(jī)問世以來的總運(yùn)算量。

“除具有高并行性外，DNA分子還具有海量存儲(chǔ)能力，這也是DNA計(jì)算的另一優(yōu)勢(shì)。”張成指出，信息時(shí)代的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，電子計(jì)算機(jī)芯片等元器件的集成能力愈發(fā)接近瓶頸，亟待開發(fā)新的存儲(chǔ)媒介。

DNA作為信息的載體，其貯存容量巨大。1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ)1萬億億個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)超當(dāng)前全球所有電子計(jì)算機(jī)的總儲(chǔ)存量。

近年來，不僅很多科學(xué)家熱衷于研究DNA存儲(chǔ)，一些企業(yè)也將目光投向這一領(lǐng)域。微軟研究院計(jì)劃于2020年前將DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)投入到數(shù)據(jù)中心中使用，華為戰(zhàn)略研究院也將DNA存儲(chǔ)納入未來研發(fā)計(jì)劃中。

此外，許進(jìn)還提到，DNA計(jì)算機(jī)所消耗的能量只占一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)完成同樣計(jì)算任務(wù)所消耗能量的十億分之一。

DNA計(jì)算技術(shù)落地或需20年

“高大上”的DNA計(jì)算，能被用在哪兒呢？

“在信息技術(shù)領(lǐng)域中，基于DNA計(jì)算的強(qiáng)大運(yùn)算能力，其有望被應(yīng)用于密碼破譯或超大規(guī)模信息處理等業(yè)務(wù)中。”劉向榮表示，現(xiàn)有的密碼體系之所以安全、可靠，并非在于其無法被破譯，而是因?yàn)槠谱g時(shí)間過長(zhǎng)，可能需要上百年。而DNA計(jì)算則有望將同一密碼的破譯時(shí)間縮短至幾天、甚至更短，屆時(shí)現(xiàn)有密碼體系可能會(huì)“潰不成軍”。

在北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授閆懷志看來，生物醫(yī)藥也將是DNA計(jì)算主要的應(yīng)用場(chǎng)景之一。“DNA計(jì)算由于其融合應(yīng)用了電子技術(shù)和生物技術(shù)，使得電腦與人腦相結(jié)合的‘人機(jī)合一’成為可能。可以設(shè)想，采用DNA計(jì)算技術(shù)，甚至能在人體或細(xì)胞內(nèi)直接植入人造生物芯片、運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序。”閆懷志說。

“利用DNA計(jì)算技術(shù)，科學(xué)家可在細(xì)胞內(nèi)植入DNA納米機(jī)器人和分子電路，完成細(xì)胞功能調(diào)控。例如，北京大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的多種DNA分子電路，可對(duì)某種腫瘤標(biāo)志物進(jìn)行特異性識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速診斷。”張成說。

“此外，得益于DNA分子鏈本身的微小性、可折疊性及高度穩(wěn)定性，DNA分子存儲(chǔ)技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注。”張成指出，科學(xué)家已經(jīng)把莎士比亞的詩、馬丁·路德金的演講等信息通過分子編碼，成功以DNA形式進(jìn)行存儲(chǔ)。DNA硬盤或?qū)⒂诓痪煤髥柺馈?/p>

與此同時(shí)，專家也表示，目前來看，DNA計(jì)算技術(shù)落地仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

“目前學(xué)界還未找到實(shí)時(shí)、高靈敏度的檢測(cè)DNA單分子的技術(shù)手段。DNA運(yùn)算結(jié)果信號(hào)往往為微小、微量的DNA單分子，如何增強(qiáng)這種納米級(jí)別的信號(hào)或提升單分子檢測(cè)技術(shù)的能力，需要我們進(jìn)一步努力。”劉向榮指出。

新技術(shù)只有走出實(shí)驗(yàn)室，才能體現(xiàn)其價(jià)值，造福大眾。張成坦言，目前由于DNA計(jì)算技術(shù)相關(guān)研究仍屬于前沿基礎(chǔ)研究范疇，市場(chǎng)資金介入度不夠。“因此，我們亟須加強(qiáng)相關(guān)的應(yīng)用研究，吸引市場(chǎng)的關(guān)注。”張成說。

“目前來看，DNA計(jì)算技術(shù)距離真正落地，還有很長(zhǎng)的路要走，或許需要20年。”劉向榮推測(cè)道。