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美国科学院院刊:活的超级计算机即将诞生-首个基于生物分子动力的并行计算机模型问世

2016-03-01 作者:全浩 编译 来源:微信号人工智能学家
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【原创】人工智能学家原创

全浩:编译

全浩,人工智能学家专栏作者,曾出任汉王科技(中国上市公司)文字识别事业部市场总监,以色列M-systems (美国上市公司)中国区的营销负责人,北京硅谷动力集团总编辑和总裁助理,中国电子企业协会直属公司总经理,神州数码业务发展经理。

《美国科学院院报》((PNAS–Proceedings of the National Academy of Sciences ),2月26日公布一则令人兴奋的报告,加拿大麦吉尔大学( McGill)的Nicolau教授所带领的一个国际化专家团队创造出世界第一台基于“生物分子动力的纳米网络并行计算机模型”(Parallel computation with molecular-motor-propelled agents in nanofabricated networks)!

三磷酸腺苷(ATP)为我们身体细胞提供能量,它以后也可以成为下一代超级计算机的动力了。该研究小组创造的生物计算机模型可以和电子超级计算机一样实现并行计算,快速并准确地处理信息。相比常规的时序计算机,这种生物分子动力的并行计算机的运算速度有指数级地提高,同时能耗还大大地降低。而能耗问题一直是传统电子超级计算机的局限所在。生物超级计算机的体积将比现存的超级计算机小很多,使用可以生存于所有细胞中的蛋白质来实现运作功能。这种新型计算模型,完全可以由当今现存的技术来实行,真是一个了不起的发明啊。

“在一个非常小的面积里,我们成功地创造了一种非常复杂的网络(network)。” Dan Nicolau教授笑着说。他和他儿子十年前就开始这类研究,后来他们又联合了来自德国、瑞典、英美还有荷兰等国家的专家共同研发。这个奇思妙想,Dan Nicolau教授是从一个信封的背面获得启示的,那个信封背面涂鸦绘画了好像很多小蠕虫在探索迷宫。

结合了几何模型和纳米工程技术,他们创造了生物分子超级计算机的模型。这种回路(circuit),好像我们从飞机上看到的一个繁忙、有序的大城市街景。类似于在城市中,小轿车和大卡车有不同的尺寸,有不同的驱动动力方式,被导航到不同的通路(channel),消耗他们行驶所必需要的能源。

*图释:蛋白质分子在回路(circuit)中巡游,被驱动取向一些特定的方向,有点像汽车根据我们期望的结果穿行在城市街道上。(版权:Till Korten)

在生物计算机中,城市是一块1.5平方厘米的芯片,其中被蚀刻了许多通路。研究人员称呼蛋白质细丝为生物因子(biological agents),这些生物因子在可控的方式下巡游于回路中,这些运动由三磷酸腺苷(ATP)提供能量,这东西滋养着我们所有生命体——从植物到政治家。

一方面运用几何网络设计,一方面用平板印刷法(lithography)这种标准的芯片制造技术,该模型把解决方式编码到纳米级别的网络通路(channel)中。这个网络又通过许多的生物因子(蛋白质细丝)拓展,这些蛋白质细丝被覆盖在通路底部的、动力蛋白质分子层所自我驱动。这个网络还设计了不同类型的交叉点(junctions),自动引导生物因子对问题生成正确的解答。这样构建了一个智能的网络。

而常规电子芯片中电子是被电力驱动。常规的时序电子计算机,在天性上就难以处理高复杂度的计算问题,因为复杂问题所需要的计算量是指数级别上升的。并行计算技术可以在原则上应对这些问题,但是目前我们由于技术瓶颈难以突破,所以运用并行计算技术的电子超级计算机实际实施还很困难。

这个新公布的并行计算方法混合了纳米制造技术和分子动力,可以内在地实行“并行计算”,同时能量效率还很高。因为使用了生物因子,所以计算芯片很不容易发热,这种生物分子超级计算机比常规电子超级计算机的能耗大大地降低了,从而也就稳定多了。传统的电子超级计算机要用的电量太大了,高发热需要冷却设备,所以经常他们需要建立一个自己的发电站呢。

应用并行计算技术,虽然生物分子超级计算机可以非常高效率地处理复杂的数学问题,研究人员也意识到,要把他们所创造出的模型完善成一个全面功能的计算机,他们仍然还有大量的工作要面对。“现在,这个模型可以用来成功地处理一个单一问题了,这样其他人能够沿用此技术并且推进它走得更远,例如使用不同的生物因子。” Nicolau教授说,“我们还不好判断多久能看到一个全面的生物分子超级计算机诞生。另外一种选择是,为了处理更大的和更复杂的问题,可能要结合我们的设备和一个常规的计算机,产生一个混合型的设备。现在我们正努力通过各种方法来推进这项研究。”

这种新的生物分子动力并行计算技术结合了纳米技术和生物工程,具有高速计算能力、扩展性、容错性、低能源等特性,并且可以由现存的技术手段来实行。曾经的科幻小说,如今变成了科学现实。

source: McGill University

More information: Dan V. Nicolau et al. Parallel computation with molecular-motor-propelled agents in nanofabricated networks, Proceedings of the National Academy of Sciences (2016). DOI: 10.1073/pnas.1510825113


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[责任编辑:tuwei] 标签: 美国 超级 计算机 生物分子 动力
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