生物计算机ppt课件

1、计算系统,大学计算机翻转课堂,土木一班海峰战队,计算机系统 发展历程,PART 01,计算机系统发展历程,图灵机,现代计算机的理论基础,将控制处理的规则（程序）用0和1的表达，将待处理的数据及处理结果（输入与输出）也用0和1表达，处理方式即为对0和1的变换。可以运用穿孔纸带、机械或电子系统实现。,图灵机模型：,启示：,由基本动作和基本动作的各种组合可以实现一个复杂系统的构成。,计算机系统发展历程,计算机系统发展历程,冯诺依曼机,现代计算机的先驱,输入设备,存储器,输出设备,控制器,运算器,逻辑运算与算术运算,数据和指令的存储与读写,将程序和指令输入计算机,读取、分析并执行指令。依据编制好的程序，控制计算机各部件有序工作,将计算机处理的结果显示或打印出来,计算机系统发展历程,基本思想：存储程序。以实现连续、自动的执行，加快数据处理的速度,特点：强调整体性与协同性,冯诺依曼机的五大部件,运算器与控制器通常集成为中央处理器CPU，是计算系统的核心,现代计算机系统简介,现代计算机 系统简介,PART 02,现代计算机系统简介,主机：CPU和存储器（核心）、各种电路板 外部设备：输入设备、输出设

2、备、外部存储设备,硬件,软件,数据,多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。,网络,现代计算机的基本构成,1,2,3,4,CPU的构成,CPU如何执行指令,抽象结构,CPU,CPU的生产,硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，(电子级硅EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。,硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆。切割出的晶圆经过抛光后,光刻胶(Photo Resist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。,光刻蚀：光刻胶层随后透过掩模被曝光在紫外线之下变得可溶，掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。,离子注入：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。,晶体管就绪：清除光刻胶。至此，晶体管

3、已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。,电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜沉淀到晶体管上。,抛光，晶圆测试，晶圆切片，丢弃瑕疵内核，留下单个内核，封装成型。,CPU,新型概念的 计算机系统,PART 03,新型概念的计算机系统,DNA计算机,导言为什么需要设计新型计算机？,DNA计算机,DNA计算机概念的提出,20世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸(DNA)处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的通导或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等等。而DNA片段的切割、删除、易位和增添也让人们联想起基本的逻辑运算。由此，科学家们激发了研制生物元件的灵感。,计算原理的变革,DNA计算机,0和1的复杂组合,4种碱基的排列顺序,基本门电路:与、或、非,生物逻辑门,用0和1表示程序对数据进行变换,用特异性酶控制DNA序列的变换,信息的存储与表示,基本逻辑运算的形式,运行机制,传统计算机,DNA计算机,计算原理的变化,DNA计算机的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将发生过程进行分子编码，把

4、二进制数翻译成遗传密码的片段，每一个片段就是双螺旋的一个链，然后对问题以新的DNA编码形式加以解答。,DNA计算机的工作原理,“Hamilton path问题”的解决,DNA计算机的实际案例,DNA计算机的开山之作,问题重述：,有n个城市，一个推销员要从其中某一个城市出发，唯一走遍所有城市(每两个城市之间都有直接连接的道路)，到达指定的终点，求最短的路线。,随着城市数目的增加，问题会变的越来越困难。随着难度的增加，要搜索到正确的路径就需要更加强大的计算能力，最终会复杂到需要运用目前最先进的超级计算机。当城市数目达到上百个时，即使最快的超级计算机也“望洋兴叹”，计算量可想而知。但是，利用DNA计算，问题迎刃而解。,DNA计算机的实际案例,在当时，用传统计算机解决这个问题需要两年的时间，而DNA计算机加上信息筛选的过程只用了7天时间。 实际上，当时试管中的DNA计算机在几秒钟已经存在了正确答案，科学家们花了七天时间将答案提取出来。 当然，如今的计算机想得到结果也只需要几秒，但距离那个时代，已经过去了将近20年。,1994年11月，美国计算机科学家L.阿德勒曼（Leonard M. Adle

5、man）根据DNA分子信息表达的启发，他巧妙地利用相同的DNA单链代表相同的一条道路；用相同的一段粘性末端来表示同一个城市节点；以的、粘性末端的特异性相连表示道路与道路之间的连接。当表示各条道路的DNA单链均足够多时，就可以随机组合出所有的路线方案。,当时的实验步骤： Adleman博士利用DNA计算实现了7节点的Hamilton path问题。具体的实验分为5个步骤： 1、产生经历有向图节点的随机路径。也就是图中存在的所有路径。 2、筛选并保留从起点到终点的所有路径，运用PCR技术使序列成倍增加。 3、筛选并保留正好经过7个节点的路径，运用凝胶电泳技术将DNA链进行分离。 4、筛选并保留至少一次经过所有节点的那些路径，通过亲和层析来实现。 5、检测是否存在包含Hamilton path问题的DNA分子。如存在，运用PCR技术进行扩增，然后测定被扩增的DNA分子序列。,DNA计算机的优点,DNA计算机的优点,(4)耗能低。DNA计算机的能耗非常低，仅相当于普通电脑的10亿分之一。如果放置在活体细胞内，能耗还会更低。这是因为生物芯片内流动电子间碰撞的可能极小，几乎不存在电阻，所以生物计算

6、机的能耗极小，几乎不发热。 (5)并行性。普通电脑采用的都是以顺序执行指令的方式运算。由于一个生物酶可同时催化多个DNA分子的反应，数以亿计的DNA计算机可以同时从不同角度处理一个问题，工作一次可以进行10亿次运算，即并行的方式工作，大大提高了效率。,DNA计算机的不足,信息的输入和输出较为困难,一种生物计算机24小时就完成了人类迄今全部的计算量，但从中提取一个信息却花费了1周。这也是目前生物计算机没有普及的最主要原因。,严格来说，基本无法根据人们设想的序列输入信息，只能以特定的、现有的DNA序列代表特定的信息，并用PCR技术进行扩增。 最终得到的结果也需要进行多步骤的反复筛选并提取，才能完成信息的输出。,突破与前景,DNA计算机的发展,生物计算机具有生物活性，理论上能够和人体的组织有机地结合起来，尤其是能够与大脑和神经系统相连。这样，生物计算机就可直接接受大脑的综合指挥，成为人脑的辅助装置或扩充部分，并能由人体细胞吸收营养补充能量，因而不需要外界能源。它将成为帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。,2011年，科学家利用细菌和DNA分子成功建造数字设备的基本结构，及生物逻辑门，也就是与门，非门，或门，标志着人类已离制造生物计算机更近一步!在“硬件方面”(或者应当说“湿件”)，生物技术的改进正在以类似于半导体行业的进步速度发展。,这么多年来，计算机一直没有跳出二进制逻辑和冯诺依曼模型的圈子，从这个层面讲，70年来计算机的发展都只是体积和运算速度的量变。这是受基础学科的发展程度局限的结果。生物计算机，在生物工程取得重大进展时便呼之欲出了。作为IT人，抛弃二进制逻辑和冯诺依曼模型是非常困难的。但从机械到电子，从焊接电路到集成电路，从真空管到晶体管，从大家伙到智能手机。计算机的发展表明人类可以创造一个个的不可能。 要让生物计算机走入千家万户，必须要有敢于舍弃旧认知，勇于开拓的精神。我们相信，在科研工作者们的不懈努力下，随着新型计算机技术的成熟，更多让人惊喜的成果在等着我们！,新型概念的计算机系统,结语,Thanks！,参考文献：基于DNA分子的逻辑门与计算机俞洋，宋世平，樊春海,

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