生物計算機

1、計算系統(tǒng),大學計算機翻轉課堂,——土木一班海峰戰(zhàn)隊,計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程,PART 01,計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程,圖靈機,——現代計算機的理論基礎,將控制處理的規(guī)則（程序）用0和1的表達，將待處理的數據及處理結果（輸入與輸出）也用0和1表達，處理方式即為對0和1的變換?？梢赃\用穿孔紙帶、機械或電子系統(tǒng)實現。,圖靈機模型：,啟示：,由基本動作和基本動作的各種組合可以實現一個復雜系統(tǒng)的構成。,計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程,計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程,馮?諾依曼機

2、,——現代計算機的先驅,,,,,,,,,,,,,,,輸入設備,存儲器,輸出設備,控制器,運算器,邏輯運算與算術運算,數據和指令的存儲與讀寫,將程序和指令輸入計算機,讀取、分析并執(zhí)行指令。依據編制好的程序，控制計算機各部件有序工作,將計算機處理的結果顯示或打印出來,計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程,基本思想：存儲程序。以實現連續(xù)、自動的執(zhí)行，加快數據處理的速度,特點：強調整體性與協同性,,,馮·諾依曼機的五大部件,,運算器與控制器通常集成為中

3、央處理器CPU，是計算系統(tǒng)的核心,現代計算機系統(tǒng)簡介,現代計算機系統(tǒng)簡介,PART 02,現代計算機系統(tǒng)簡介,·主機：CPU和存儲器（核心）、各種電路板·外部設備：輸入設備、輸出設備、外部存儲設備,硬件,軟件,數據,多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網絡操作系統(tǒng)、網絡管理軟件及網絡通信協議的管理和協調下，實現資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。,網絡,現代計算機的基本構成,1,2,3,4,,,,,,CP

4、U的構成,CPU如何執(zhí)行指令,,抽象結構,CPU,CPU的生產,①硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級。通過多步凈化得到可用于半導體制造質量的硅，(電子級硅EGS)，平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。,②硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓。切割出的晶圓經過拋光后,③光刻膠(Photo Resist)：圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過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：光刻膠層隨后透過掩模被曝光在紫外線之下變得可溶，掩模上印著預先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會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，用經過加速的、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)域的硅的導電性。,⑥晶體管就緒：清除光刻膠。至此，晶體管已經基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，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，晶圓測試，晶圓切片，丟棄瑕疵內核，留下單個內核，封裝成型。,CPU,,,,新型概念的計算機系統(tǒng),PART 03,新型概念的計算機系統(tǒng),DNA計算機,導言——為什么需要設計新型計算機？,通過增加晶體管密度和處理器的連接數目，可以很大提升計算機的計算速度，發(fā)展超級計算機。但從技術的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數增長，生產難度也大大提升。一旦芯片上線條

7、的寬度達到納米( 10 ?9 m)數量級時，相當于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發(fā)生質的變化，致使采用現行工藝的半導體器件不能正常工作。目前最先進的集成電路已含有17億個晶體管。超級計算機繼續(xù)提速是很困難的，必須想別的出路。,DNA計算機,DNA計算機概念的提出,20世紀70年代以來，人們發(fā)現脫氧核糖核酸(DNA)處在不同的狀態(tài)下，可產生有信息和無信息的變化。聯想到邏輯電路中的0與1、晶體管的通導或截止、電壓的高或

8、低、脈沖信號的有或無等等。而DNA片段的切割、刪除、易位和增添也讓人們聯想起基本的邏輯運算。由此，科學家們激發(fā)了研制生物元件的靈感。,計算原理的變革,DNA計算機,0和1的復雜組合,4種堿基的排列順序,基本門電路:與、或、非,生物邏輯門,用0和1表示程序對數據進行變換,用特異性酶控制DNA序列的變換,信息的存儲與表示,基本邏輯運算的形式,運行機制,傳統(tǒng)計算機,DNA計算機,計算原理的變化,DNA計算機的工作原理是以瞬間發(fā)生的化學反應為基

9、礎，通過和酶的相互作用，將發(fā)生過程進行分子編碼，把二進制數翻譯成遺傳密碼的片段，每一個片段就是雙螺旋的一個鏈，然后對問題以新的DNA編碼形式加以解答。,DNA計算機的工作原理,“Hamilton path問題”的解決,DNA計算機的實際案例,——DNA計算機的開山之作,問題重述：,有n個城市，一個推銷員要從其中某一個城市出發(fā)，唯一走遍所有城市(每兩個城市之間都有直接連接的道路)，到達指定的終點，求最短的路線。,隨著城市數目的增加，問題會

10、變的越來越困難。隨著難度的增加，要搜索到正確的路徑就需要更加強大的計算能力，最終會復雜到需要運用目前最先進的超級計算機。當城市數目達到上百個時，即使最快的超級計算機也“望洋興嘆”，計算量可想而知。但是，利用DNA計算，問題迎刃而解。,DNA計算機的實際案例,在當時，用傳統(tǒng)計算機解決這個問題需要兩年的時間，而DNA計算機加上信息篩選的過程只用了7天時間。實際上，當時試管中的DNA計算機在幾秒鐘已經存在了正確答案，科學家們花了七天時間將答

11、案提取出來。當然，如今的計算機想得到結果也只需要幾秒，但距離那個時代，已經過去了將近20年。,1994年11月，美國計算機科學家L.阿德勒曼（Leonard M. Adleman）根據DNA分子信息表達的啟發(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表示同一個城市節(jié)點；以的、粘性末端的特異性相連表示道路與道路之間的連接。當表示各條道路的DNA單鏈均足夠多時，就可以隨機組合出所有的路線方案。,當時的實驗步驟

12、：Adleman博士利用DNA計算實現了7節(jié)點的Hamilton path問題。具體的實驗分為5個步驟：1、產生經歷有向圖節(jié)點的隨機路徑。也就是圖中存在的所有路徑。2、篩選并保留從起點到終點的所有路徑，運用PCR技術使序列成倍增加。3、篩選并保留正好經過7個節(jié)點的路徑，運用凝膠電泳技術將DNA鏈進行分離。4、篩選并保留至少一次經過所有節(jié)點的那些路徑，通過親和層析來實現。5、檢測是否存在包含Hamilton path問題的DN

13、A分子。如存在，運用PCR技術進行擴增，然后測定被擴增的DNA分子序列。,,,DNA計算機的優(yōu)點,(1)信息密集度高，存儲容量大。可同時容納1萬億個此類計算機于一支試管中。1立方米的DNA溶液，可以存貯1萬億億的二進制數據。1 cm 2 空間的DNA可儲存的資料量超過1兆片CD的容量。 (2)運行速度快。其運算速度可以達到每秒10億次，十幾個小時的DNA計算，相當于所有電腦問世以來的總運算量。 (3) 可靠性高。由生物分

14、子構成的分子集成電路(生物芯片)也同一般的生物體一樣，具有“自我修復”的機能，也就是說，即便這種芯片出了點故障也無關大局，它能夠慢慢地自動恢復過來，達到“自我修復”。所以，這種生物計算機的可靠性非常高，經久耐用，具有“半永久性”。這對于目前的電子計算機來說，簡直是一件不可思議的事情。,DNA計算機的優(yōu)點,(4)耗能低。DNA計算機的能耗非常低，僅相當于普通電腦的10億分之一。如果放置在活體細胞內，能耗還會更低。這是因為生物芯片內流動電子

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

16、是目前生物計算機沒有普及的最主要原因。,·嚴格來說，基本無法根據人們設想的序列輸入信息，只能以特定的、現有的DNA序列代表特定的信息，并用PCR技術進行擴增。·最終得到的結果也需要進行多步驟的反復篩選并提取，才能完成信息的輸出。,突破與前景,DNA計算機的發(fā)展,·生物計算機具有生物活性，理論上能夠和人體的組織有機地結合起來，尤其是能夠與大腦和神經系統(tǒng)相連。這樣，生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人

17、腦的輔助裝置或擴充部分，并能由人體細胞吸收營養(yǎng)補充能量，因而不需要外界能源。它將成為幫助人類學習、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的最理想的伙伴。,·2011年，科學家利用細菌和DNA分子成功建造數字設備的基本結構，及生物邏輯門，也就是與門，非門，或門，標志著人類已離制造生物計算機更近一步!在“硬件方面”(或者應當說“濕件”)，生物技術的改進正在以類似于半導體行業(yè)的進步速度發(fā)展。,這么多年來，計算機一直沒有跳出二進制邏輯和馮·諾依曼

18、模型的圈子，從這個層面講，70年來計算機的發(fā)展都只是體積和運算速度的量變。這是受基礎學科的發(fā)展程度局限的結果。生物計算機，在生物工程取得重大進展時便呼之欲出了。作為IT人，拋棄二進制邏輯和馮·諾依曼模型是非常困難的。但從機械到電子，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。。。計算機的發(fā)展表明人類可以創(chuàng)造一個個的不可能。 要讓生物計算機走入千家萬戶，必須要有敢于舍棄舊認知，勇于開拓的精神。我們相信，在