生物計(jì)算機(jī)

1、計(jì)算系統(tǒng),大學(xué)計(jì)算機(jī)翻轉(zhuǎn)課堂,——土木一班海峰戰(zhàn)隊(duì),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程,PART 01,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程,圖靈機(jī),——現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ),將控制處理的規(guī)則（程序）用0和1的表達(dá)，將待處理的數(shù)據(jù)及處理結(jié)果（輸入與輸出）也用0和1表達(dá)，處理方式即為對(duì)0和1的變換?？梢赃\(yùn)用穿孔紙帶、機(jī)械或電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。,圖靈機(jī)模型：,啟示：,由基本動(dòng)作和基本動(dòng)作的各種組合可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)成。,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程,馮?諾依曼機(jī)

2、,——現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的先驅(qū),,,,,,,,,,,,,,,輸入設(shè)備,存儲(chǔ)器,輸出設(shè)備,控制器,運(yùn)算器,邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算,數(shù)據(jù)和指令的存儲(chǔ)與讀寫(xiě),將程序和指令輸入計(jì)算機(jī),讀取、分析并執(zhí)行指令。依據(jù)編制好的程序，控制計(jì)算機(jī)各部件有序工作,將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果顯示或打印出來(lái),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程,基本思想：存儲(chǔ)程序。以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)的執(zhí)行，加快數(shù)據(jù)處理的速度,特點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)整體性與協(xié)同性,,,馮·諾依曼機(jī)的五大部件,,運(yùn)算器與控制器通常集成為中

3、央處理器CPU，是計(jì)算系統(tǒng)的核心,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介,PART 02,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介,·主機(jī)：CPU和存儲(chǔ)器（核心）、各種電路板·外部設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外部存儲(chǔ)設(shè)備,硬件,軟件,數(shù)據(jù),多臺(tái)計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備，通過(guò)通信線路連接起來(lái)，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成,1,2,3,4,,,,,,CP

4、U的構(gòu)成,CPU如何執(zhí)行指令,,抽象結(jié)構(gòu),CPU,CPU的生產(chǎn),①硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級(jí)。通過(guò)多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，(電子級(jí)硅EGS)，平均每一百萬(wàn)個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜質(zhì)原子。,②硅錠切割：橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說(shuō)的晶圓。切割出的晶圓經(jīng)過(guò)拋光后,③光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過(guò)程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、

5、非常平。,④光刻蝕：光刻膠層隨后透過(guò)掩模被曝光在紫外線之下變得可溶，掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過(guò)它照在光刻膠層上，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。,,,,⑤離子注入：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過(guò)加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。,⑥晶體管就緒：清除光刻膠。至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。,⑦

6、電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅沉淀到晶體管上。,⑧拋光，晶圓測(cè)試，晶圓切片，丟棄瑕疵內(nèi)核，留下單個(gè)內(nèi)核，封裝成型。,CPU,,,,新型概念的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),PART 03,新型概念的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),DNA計(jì)算機(jī),導(dǎo)言——為什么需要設(shè)計(jì)新型計(jì)算機(jī)？,通過(guò)增加晶體管密度和處理器的連接數(shù)目，可以很大提升計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)。但從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長(zhǎng)，生產(chǎn)難度也大大提升。一旦芯片上線條

7、的寬度達(dá)到納米( 10 ?9 m)數(shù)量級(jí)時(shí)，相當(dāng)于只有幾個(gè)分子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作。目前最先進(jìn)的集成電路已含有17億個(gè)晶體管。超級(jí)計(jì)算機(jī)繼續(xù)提速是很困難的，必須想別的出路。,DNA計(jì)算機(jī),DNA計(jì)算機(jī)概念的提出,20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA)處在不同的狀態(tài)下，可產(chǎn)生有信息和無(wú)信息的變化。聯(lián)想到邏輯電路中的0與1、晶體管的通導(dǎo)或截止、電壓的高或

8、低、脈沖信號(hào)的有或無(wú)等等。而DNA片段的切割、刪除、易位和增添也讓人們聯(lián)想起基本的邏輯運(yùn)算。由此，科學(xué)家們激發(fā)了研制生物元件的靈感。,計(jì)算原理的變革,DNA計(jì)算機(jī),0和1的復(fù)雜組合,4種堿基的排列順序,基本門(mén)電路:與、或、非,生物邏輯門(mén),用0和1表示程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行變換,用特異性酶控制DNA序列的變換,信息的存儲(chǔ)與表示,基本邏輯運(yùn)算的形式,運(yùn)行機(jī)制,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),DNA計(jì)算機(jī),計(jì)算原理的變化,DNA計(jì)算機(jī)的工作原理是以瞬間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為基

9、礎(chǔ)，通過(guò)和酶的相互作用，將發(fā)生過(guò)程進(jìn)行分子編碼，把二進(jìn)制數(shù)翻譯成遺傳密碼的片段，每一個(gè)片段就是雙螺旋的一個(gè)鏈，然后對(duì)問(wèn)題以新的DNA編碼形式加以解答。,DNA計(jì)算機(jī)的工作原理,“Hamilton path問(wèn)題”的解決,DNA計(jì)算機(jī)的實(shí)際案例,——DNA計(jì)算機(jī)的開(kāi)山之作,問(wèn)題重述：,有n個(gè)城市，一個(gè)推銷員要從其中某一個(gè)城市出發(fā)，唯一走遍所有城市(每?jī)蓚€(gè)城市之間都有直接連接的道路)，到達(dá)指定的終點(diǎn)，求最短的路線。,隨著城市數(shù)目的增加，問(wèn)題會(huì)

10、變的越來(lái)越困難。隨著難度的增加，要搜索到正確的路徑就需要更加強(qiáng)大的計(jì)算能力，最終會(huì)復(fù)雜到需要運(yùn)用目前最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。當(dāng)城市數(shù)目達(dá)到上百個(gè)時(shí)，即使最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也“望洋興嘆”，計(jì)算量可想而知。但是，利用DNA計(jì)算，問(wèn)題迎刃而解。,DNA計(jì)算機(jī)的實(shí)際案例,在當(dāng)時(shí)，用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)解決這個(gè)問(wèn)題需要兩年的時(shí)間，而DNA計(jì)算機(jī)加上信息篩選的過(guò)程只用了7天時(shí)間。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)試管中的DNA計(jì)算機(jī)在幾秒鐘已經(jīng)存在了正確答案，科學(xué)家們花了七天時(shí)間將答

11、案提取出來(lái)。當(dāng)然，如今的計(jì)算機(jī)想得到結(jié)果也只需要幾秒，但距離那個(gè)時(shí)代，已經(jīng)過(guò)去了將近20年。,1994年11月，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家L.阿德勒曼（Leonard M. Adleman）根據(jù)DNA分子信息表達(dá)的啟發(fā)，他巧妙地利用相同的DNA單鏈代表相同的一條道路；用相同的一段粘性末端來(lái)表示同一個(gè)城市節(jié)點(diǎn)；以的、粘性末端的特異性相連表示道路與道路之間的連接。當(dāng)表示各條道路的DNA單鏈均足夠多時(shí)，就可以隨機(jī)組合出所有的路線方案。,當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)步驟

12、：Adleman博士利用DNA計(jì)算實(shí)現(xiàn)了7節(jié)點(diǎn)的Hamilton path問(wèn)題。具體的實(shí)驗(yàn)分為5個(gè)步驟：1、產(chǎn)生經(jīng)歷有向圖節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)路徑。也就是圖中存在的所有路徑。2、篩選并保留從起點(diǎn)到終點(diǎn)的所有路徑，運(yùn)用PCR技術(shù)使序列成倍增加。3、篩選并保留正好經(jīng)過(guò)7個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑，運(yùn)用凝膠電泳技術(shù)將DNA鏈進(jìn)行分離。4、篩選并保留至少一次經(jīng)過(guò)所有節(jié)點(diǎn)的那些路徑，通過(guò)親和層析來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、檢測(cè)是否存在包含Hamilton path問(wèn)題的DN

13、A分子。如存在，運(yùn)用PCR技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增，然后測(cè)定被擴(kuò)增的DNA分子序列。,,,DNA計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn),(1)信息密集度高，存儲(chǔ)容量大?？赏瑫r(shí)容納1萬(wàn)億個(gè)此類計(jì)算機(jī)于一支試管中。1立方米的DNA溶液，可以存貯1萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。1 cm 2 空間的DNA可儲(chǔ)存的資料量超過(guò)1兆片CD的容量。 (2)運(yùn)行速度快。其運(yùn)算速度可以達(dá)到每秒10億次，十幾個(gè)小時(shí)的DNA計(jì)算，相當(dāng)于所有電腦問(wèn)世以來(lái)的總運(yùn)算量。 (3) 可靠性高。由生物分

14、子構(gòu)成的分子集成電路(生物芯片)也同一般的生物體一樣，具有“自我修復(fù)”的機(jī)能，也就是說(shuō)，即便這種芯片出了點(diǎn)故障也無(wú)關(guān)大局，它能夠慢慢地自動(dòng)恢復(fù)過(guò)來(lái)，達(dá)到“自我修復(fù)”。所以，這種生物計(jì)算機(jī)的可靠性非常高，經(jīng)久耐用，具有“半永久性”。這對(duì)于目前的電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是一件不可思議的事情。,DNA計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn),(4)耗能低。DNA計(jì)算機(jī)的能耗非常低，僅相當(dāng)于普通電腦的10億分之一。如果放置在活體細(xì)胞內(nèi)，能耗還會(huì)更低。這是因?yàn)樯镄酒瑑?nèi)流動(dòng)電子

15、間碰撞的可能極小，幾乎不存在電阻，所以生物計(jì)算機(jī)的能耗極小，幾乎不發(fā)熱。 (5)并行性。普通電腦采用的都是以順序執(zhí)行指令的方式運(yùn)算。由于一個(gè)生物酶可同時(shí)催化多個(gè)DNA分子的反應(yīng)，數(shù)以億計(jì)的DNA計(jì)算機(jī)可以同時(shí)從不同角度處理一個(gè)問(wèn)題，工作一次可以進(jìn)行10億次運(yùn)算，即并行的方式工作，大大提高了效率。,DNA計(jì)算機(jī)的不足,信息的輸入和輸出較為困難,一種生物計(jì)算機(jī)24小時(shí)就完成了人類迄今全部的計(jì)算量，但從中提取一個(gè)信息卻花費(fèi)了1周。這也

16、是目前生物計(jì)算機(jī)沒(méi)有普及的最主要原因。,·嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，基本無(wú)法根據(jù)人們?cè)O(shè)想的序列輸入信息，只能以特定的、現(xiàn)有的DNA序列代表特定的信息，并用PCR技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增。·最終得到的結(jié)果也需要進(jìn)行多步驟的反復(fù)篩選并提取，才能完成信息的輸出。,突破與前景,DNA計(jì)算機(jī)的發(fā)展,·生物計(jì)算機(jī)具有生物活性，理論上能夠和人體的組織有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，尤其是能夠與大腦和神經(jīng)系統(tǒng)相連。這樣，生物計(jì)算機(jī)就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人

17、腦的輔助裝置或擴(kuò)充部分，并能由人體細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充能量，因而不需要外界能源。它將成為幫助人類學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的最理想的伙伴。,·2011年，科學(xué)家利用細(xì)菌和DNA分子成功建造數(shù)字設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，及生物邏輯門(mén)，也就是與門(mén)，非門(mén)，或門(mén)，標(biāo)志著人類已離制造生物計(jì)算機(jī)更近一步!在“硬件方面”(或者應(yīng)當(dāng)說(shuō)“濕件”)，生物技術(shù)的改進(jìn)正在以類似于半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步速度發(fā)展。,這么多年來(lái)，計(jì)算機(jī)一直沒(méi)有跳出二進(jìn)制邏輯和馮·諾依曼

18、模型的圈子，從這個(gè)層面講，70年來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展都只是體積和運(yùn)算速度的量變。這是受基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展程度局限的結(jié)果。生物計(jì)算機(jī)，在生物工程取得重大進(jìn)展時(shí)便呼之欲出了。作為IT人，拋棄二進(jìn)制邏輯和馮·諾依曼模型是非常困難的。但從機(jī)械到電子，從焊接電路到集成電路，從真空管到晶體管，從大家伙到智能手機(jī)。。。計(jì)算機(jī)的發(fā)展表明人類可以創(chuàng)造一個(gè)個(gè)的不可能。 要讓生物計(jì)算機(jī)走入千家萬(wàn)戶，必須要有敢于舍棄舊認(rèn)知，勇于開(kāi)拓的精神。我們相信，在