未來(lái)的計(jì)算機(jī)也許將徹底拋棄硅片和傳統(tǒng)算法，取而代之的是游蕩在我們身體微笑的DNA分子。
　　
　　我們的大腦擁有令人驚嘆的功能，它讓人們判斷事物的聯(lián)系、形成聯(lián)想和創(chuàng)造，并且做出決定。這種特性一直是計(jì)算機(jī)模仿的目標(biāo)，但是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)看起來(lái)似乎并不容易實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的功能。這可能是因?yàn)橛?jì)算機(jī)和人腦的工作方式存在著巨大的不同：在Kevin Kelly的那本《失控》中提到，人的意識(shí)更像是許多個(gè)想法相互競(jìng)爭(zhēng)，最終其中的某一個(gè)因?yàn)橐蚓夒H會(huì)脫穎而出，并且決定了我們的思維。神經(jīng)科學(xué)似乎能夠提供一個(gè)旁證，我們的大腦中每時(shí)每刻都有無(wú)數(shù)的神經(jīng)元在活動(dòng)，但是最終會(huì)產(chǎn)生什么行為和想法似乎難以預(yù)知。與之相對(duì)應(yīng)的，則是計(jì)算機(jī)精確而難以容錯(cuò)的計(jì)算方式，它們穩(wěn)定地沿著指定的算法運(yùn)行，最后得出確定的結(jié)果。之間任何不確定，對(duì)于計(jì)算機(jī)都是不可忍受的。
　　也許正是這種根本的不同，決定了人和計(jì)算機(jī)的最大區(qū)別，也決定了人工智能目前看來(lái)依然是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想。但是，一些研究者正在嘗試進(jìn)行類(lèi)似人腦工作方式的運(yùn)算，從大量紛繁蕪雜的計(jì)算結(jié)果中挑出那些符合我們需要的，并且把它們呈現(xiàn)出來(lái)。在這些計(jì)算方式中，使用的不再是基于硅片和算法的電子計(jì)算機(jī)，而是那些在試管中游蕩的、微小到顯微鏡都看不到的遺傳物質(zhì)：DNA分子。這種計(jì)算方式，也就相應(yīng)地被叫做DNA計(jì)算。
　　這是一個(gè)新領(lǐng)域。人們嘗試使用這些脫氧核糖核酸分子的特性，同時(shí)進(jìn)行許多計(jì)算工作，讓計(jì)算速度更快而能耗更低。這些在試管中進(jìn)行的大規(guī)模并行運(yùn)算已經(jīng)成了計(jì)算技術(shù)的新希望之一，而最近的一些研究結(jié)果則帶來(lái)更多的好消息。而這一切，則需要從DNA和一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題開(kāi)始。
　　我們知道，DNA是地球上生物們的遺傳物質(zhì)。普遍認(rèn)為，它們由四種堿基構(gòu)成：腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分別用A、G、C、T來(lái)表示。這些堿基會(huì)相互結(jié)合，A對(duì)應(yīng)T，C對(duì)應(yīng)G，就像拉鏈那樣嚙合在一起，形成一條漂亮的雙螺旋。這種相互嚙合的特性，正是進(jìn)行DNA計(jì)算所必須的能力。如果我們可以把要運(yùn)算的對(duì)象編碼成DNA分子鏈，用生物酶對(duì)這些分子鏈進(jìn)行操作，那么就可以根據(jù)DNA分子鏈的構(gòu)成來(lái)得到計(jì)算結(jié)果。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把要解決的問(wèn)題變成一系列運(yùn)算，并且設(shè)法讓DNA自己得出正確結(jié)果，再把這些結(jié)果篩選出來(lái)。在理論上，這種計(jì)算完全可行，但是實(shí)際應(yīng)用上的突破則到1994年才出現(xiàn)了曙光。
　　那一年，曾經(jīng)發(fā)明了廣為應(yīng)用的RSA加密技術(shù)的Leonard Adleman首次用DNA計(jì)算的方式解決了七頂點(diǎn)的旅行商問(wèn)題。顧名思義，旅行商問(wèn)題考慮的是如何經(jīng)過(guò)多個(gè)城市，并且每個(gè)城市都只經(jīng)過(guò)一次。當(dāng)時(shí)Adleman所使用的方法和今天的DNA運(yùn)算思路并無(wú)太大不同：把每個(gè)頂點(diǎn)和每條頂點(diǎn)之間的路徑都編碼成特定的DNA分子，并且其中路徑編碼和兩個(gè)頂點(diǎn)的編碼存在互補(bǔ)關(guān)系。把這些用于運(yùn)算的原料和合適的酶放進(jìn)試管，只需要幾秒鐘時(shí)間，分子們就會(huì)自動(dòng)組合成DNA鏈。正確答案已經(jīng)在試管中形成，只需要把它們挑選出來(lái)即可。
　　這時(shí)的試管有點(diǎn)類(lèi)似中國(guó)科幻作家劉慈欣在《詩(shī)云》中提到的場(chǎng)景。我們已經(jīng)獲得了所有可能的結(jié)果，但是把正確結(jié)果從錯(cuò)誤結(jié)果中挑選出來(lái)，則是更艱巨的挑戰(zhàn)。Adleman用電泳技術(shù)把合適長(zhǎng)度的DNA鏈分揀出來(lái)，用親和力萃取技術(shù)選出所有包含第一個(gè)頂點(diǎn)的DNA鏈，再?gòu)闹蟹殖鐾瑫r(shí)包含第二個(gè)頂點(diǎn)的DNA。以此類(lèi)推逐步縮小范圍，在經(jīng)過(guò)七次萃取之后就獲得了同時(shí)包含七個(gè)頂點(diǎn)的DNA鏈，連接這些頂點(diǎn)的線路們也自然隨之而出。它的效率還很低，但是這在歷史上是第一次，DNA解決了數(shù)學(xué)問(wèn)題?！哪菚r(shí)開(kāi)始，DNA計(jì)算領(lǐng)域開(kāi)始迅速發(fā)展。1996年，F(xiàn)rank Guarnieri設(shè)計(jì)出了基于DNA運(yùn)算的二進(jìn)制加法，讓二進(jìn)制數(shù)能夠存取與進(jìn)位，解決了加法和乘法問(wèn)題；三年后，YurkeBernard解決了正有理數(shù)DNA運(yùn)算的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了DNA的布爾邏輯運(yùn)算?，F(xiàn)在，一些研究者已經(jīng)可以用這些試管里的微小分子完成更復(fù)雜的計(jì)算了。2008年，新加坡南洋理工大學(xué)舒建軍教授在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表了他的最新研究成果，稱(chēng)他的團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)操縱DNA鏈能解決基于DNA計(jì)算的戰(zhàn)略分配問(wèn)題，他同時(shí)+7Vguh07T6ys03xvnTLfoUsfqq9IQ2vYiOlyJEzupN4=還宣稱(chēng)：“1克DNA可儲(chǔ)存1萬(wàn)億張CD?！薄∈娼淌诒硎荆梭w就像一臺(tái)計(jì)算機(jī)，每時(shí)每刻都在進(jìn)行計(jì)算，比最快的硅芯片超級(jí)計(jì)算機(jī)都要快得多。在處理戰(zhàn)略分配問(wèn)題方面，隨著硅計(jì)算的發(fā)展，即使運(yùn)算最快的硅芯片計(jì)算機(jī)在處理戰(zhàn)略分配問(wèn)題上仍需要花費(fèi)數(shù)月，而基于DNA計(jì)算則被證明是高效的。利用基于DNA的計(jì)算方式能夠更高效地解決大量平行問(wèn)題、組合問(wèn)題以及人工智能問(wèn)題。而且DNA計(jì)算機(jī)所用的DNA生物芯片比硅芯片更環(huán)保。
　　與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，DNA計(jì)算機(jī)的計(jì)算是并行執(zhí)行的，而且計(jì)算并行度很大。在一毫升的DNA溶液中，可以容納十的十八次方條DNA。每條DNA都可以看成是一個(gè)微處理器。這樣的話，雖然生化反應(yīng)是在一小時(shí)之內(nèi)完成的，每秒鐘的運(yùn)算量仍可以達(dá)到十的十五次方，而現(xiàn)在最快的計(jì)算機(jī)每秒鐘的運(yùn)算速度是十的十二次方。這樣的話，DNA計(jì)算要比最快的計(jì)算機(jī)還要快1000倍。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行線性操作，一次只能處理一項(xiàng)任務(wù)。并行計(jì)算使DNA能在數(shù)小時(shí)內(nèi)求解出復(fù)雜數(shù)學(xué)問(wèn)題的答案，如果使用電子計(jì)算機(jī)，則需要花費(fèi)數(shù)百年的時(shí)間才能完成這些問(wèn)題。
　　2011年6月和7月，美國(guó)加州理工的研究者在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》和《自然》上發(fā)表了兩篇文章稱(chēng)，用DNA分子構(gòu)建出了幾種用于預(yù)算的邏輯門(mén)元件，并且實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；他們?cè)O(shè)計(jì)的一種DNA運(yùn)算工具能夠在10個(gè)小時(shí)內(nèi)算出15以?xún)?nèi)自然數(shù)的平方根，另一種更復(fù)雜一些的DNA運(yùn)算電路甚至能夠和研究者玩猜謎游戲。
　　在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，邏輯門(mén)——用于完成簡(jiǎn)單的邏輯判斷工作的運(yùn)算元件——由硅晶體管制成，但在DNA運(yùn)算中則是由單鏈DNA和部分雙鏈特征DNA組成。晶體管以電子的流入和流出為信號(hào)，而DNA邏輯門(mén)以接收和發(fā)出分子作為信號(hào)。這些分子信號(hào)在溶液中從一個(gè)邏輯門(mén)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)，找到可以相互嚙合的位置就會(huì)停留下來(lái)，而這也就意味著得到了計(jì)算結(jié)果。
　　兩個(gè)月內(nèi)連續(xù)發(fā)表的兩篇頂級(jí)論文，意味著DNA計(jì)算已經(jīng)出現(xiàn)了令人驚艷的新突破。但是，這并不意味著DNA計(jì)算技術(shù)會(huì)很快取代現(xiàn)有的硅基計(jì)算工具。研究者認(rèn)為，也許DNA計(jì)算更適合用在與生物有關(guān)的研究領(lǐng)域，例如檢測(cè)血液樣本中各種分子的濃度水平等。但是，作為多種學(xué)科交叉領(lǐng)域的DNA計(jì)算必然會(huì)受到所有相關(guān)技術(shù)發(fā)展的影響。也許有一天，計(jì)算機(jī)中將會(huì)采用基于DNA運(yùn)算原理的計(jì)算芯片，也并非完全不可能。到那時(shí)，一臺(tái)個(gè)人電腦的運(yùn)算能力，也許將會(huì)相當(dāng)于現(xiàn)在一個(gè)城市的所有計(jì)算能力之和