互动科普

蛋白质计算机

Robert R. Birge

用生物分子建造的装置有希望使尺寸紧凑与数据存储更快，它们适于用在并行处理计算机，三维存储与神经网络。

世界上最先进的超级计算机不需要任何一块半导体芯片。人类大脑由有机分子组成，它们组合形成能够计算，理解、操作，自我修理，思想与感觉的复杂网络。数字计算机确实能够进行比人类快得多的与更为精确的计算，但是在其它5个领域内，甚至连简单的有机体都比计算机优越。设计计算机的人绝不能够使机器具有一个自然大脑的全部功能，但是我们中间许多人认为，我们能够利用生物分子——特别是蛋白质——的一些特性来建造计算机组件，它们比迄今在绘图板上的任何电子装置更小，更快，功能更强。

大小问题尤其紧迫。自从60年代以来，计算机工作不得不在越来越小的半导体芯片上制造各个组件，以便经济地大量生产更大的存储器与功能更强的处理装置。这些芯片基本上由通常称为逻辑门的那种开关阵列组成，它们随着通过它们的电流的变化而在两种状态——被标明为0与1之间倒转（计算机一般用这样的二进制数来表示所有的信息）。如果继续趋向微型化，单个逻辑门的大小到了大约2030年就会接近分子的大小。

但是有一个严重的问题，在微型化中尺寸每缩小一倍，都会将制造芯片的成本增加到5倍。在某些方面，对愈来愈小的电子装置的研究可能受经济因素的限制而不是物理学的限制。在另一方面，将生物分子用作计算机电路中的有源元件可以提供一个更经济的替换途径。

分子可以起计算机开关的作用，因为它们的分子是运动的并且以可以预测的方式改变自己的位置。如果我们能够指导原子运动，并由此始终如一地产生分子中的至少两种分立状态，我们就能够用每种状态分别代表0或1。这样的开关使硬件的尺寸减小，因为它们自己很小——大约是今天用作为门（大约有1微米大小，即百万分之一米）的半导体晶体管的大小的千分之一。确实，一部生物分子计算机大体上可以是今天由相同数目的逻辑元件组成的半导体计算机大小的五十分之一。在计算机产业中，门的尺寸较小一般有助于产生较快的装置，并且在理论上，以蛋白质为基础的计算机比现代计算机运行快1000倍。

在现阶段，没有一个人在认真地建议纯粹的生物分子计算机。更可能的是（至少在不久的将来），采用结合使用分子和半导体的混合技术。这样一种方法照道理可以使计算机是现在通用的计算机大小的五十分之一，并且比它快100倍。

生物分子有吸引力，还因它们能够一次加进一个原子，从而赋予工程师们需要的控制能力，以制造能完全根据其应用场合的要求而运行的门。而且，生物电子计算机应该有助于正在进行的，对适应性更强的计算机的研究。计算机科学家们已经在通过开发称作体系结构的计算机硬件的新构形来增强电子装置的通用性。

研究者们引进了并行处理的体系结构，它使多套数据能够被同时处理。为了扩大存储能力，他们正在设计以三维方式（取代通常的两维方式）来存储数据的硬件。科学家们已经建造了模仿大脑的通过联想来学习的能力（向人工智能大步前进所需要的一种能力）的神经网络。某些蛋白质能够随光的变化而改变它们的特性，这种能力可能简化实现这些体系结构所需要的硬件。

虽然还没有整个地或部分地由蛋白质制造的计算机元件出现在市场上，但是正在进行的国际研究取得了令人兴奋的进展。预测把半导体芯片与生物分子结合起来的混合技术将很快地从科幻小说的范围转向商业应用是合理的。液晶显示技术提供了在商业上已取得成功的混合系统的最好范例。大部分膝上式计算机今天取决于液晶显示，它将半导体装置与有机分子结合起来控制屏幕上图像的亮度。

正在考虑将几种生物分子用在计算机硬件中，但是细菌蛋白质的细菌视紫红占有最重要的地位。在过去10年内，我们的实验室与在北美洲、欧洲和日本的其它实验室已经建造了基于这种蛋白质的原型并行处理装置，三维数据存储硬件与中性网络。

沼泽地中的来源

对细菌视紫红的兴趣可以追溯到70年代初期，当时，加州大学旧金山分校的Walther Stoeckenius与现在在Martinsried的马克斯▪普朗克生物化学研究所的Dieter Oesterhelt发现，当暴露于光时，该种蛋白质显示出异常的特性。在盐制品盐杆菌的膜中发现的细菌视紫红能够在氧浓度不足，以致不能用任何其它方法供养该种生物体时使细菌生长。当受到光的照射时，这种蛋白质的结构发生变化，通过这种细菌的膜输送出一个质子，由此提供能量以维持细菌的代谢作用。

苏联科学家们首先认识到并从事于开发细菌视紫红用于计算的潜力。发现了它以后不久，莫斯科Shemyakin生物有机化学研究所已故的Yuri A. Ovchinnikov从五个苏联研究所中集中了一批科学家来研究生物分子电子装置，此项研究是后来称为Rhodopsin计划的一部分。Ovchinnikov为这一研究争取到了大量的资助，因为苏联军事领导人注意听取了他的看法，并且他能够使他们相信通过开发生物电子装置，苏联科学能够在计算机技术方面过西方。

这项雄心勃勃的计划的许多方面仍被认为是军事秘密，可能永远也不会被泄露出来。我们确实知道，苏联军方用细菌视紫红制造了叫做“生物色素”（Biochrome）的缩微胶片。来自目前在美国的前苏联科学家们的情报表明，在那里的研究者们还利用蛋白质技术建造了光学数据处理机。他们的给人印象最深的成就是军用雷达处理机，它的细节仍不清楚。

我在70年代开始对细菌视紫红发生兴趣，当时我在加州大学里弗赛德分校研究视觉的生物化学基础。我的工作开始集中在存在于哺乳动物视网膜上的有关蛋白质，即视紫红。视紫红与细菌视紫红两者都是复杂的蛋白质，它们含有一种称为色基的吸收光的组分。这种色基从光中吸收能量，引起一系列复杂的内部运动，它导致较大的蛋白质结构上的重大变化。这些变化改变了蛋白质的光学与电学特性。例如，人眼中的视紫红吸收光时，结构的变化释放出起电信号作用的能量，这种信号可以将视觉信息传递到大脑。

计算机用途

我首先关心的只是了解这种光激活产生的视紫红的变化怎样发生。但在70年代末期，我也对细菌视紫红产生了兴趣。我还决定将我对其特性的了解应用到以蛋白质作基础的计算机存储器与信息处理机的设计上。那时在休斯飞机公司工作的Albert F. Lanrence在使我确信生物电子学具有巨大潜力方面起了重要作用。他到我的实验室来工作了一年，研究用于光学存储器的生物材料。

我们研究的重点放在细菌视紫红上而不是视紫红上，因为前者有较大的稳定性与较好的光学特性，它也能够被大量制备。计算机的部件必须能够经受住周围环境的变化而不会分解。细菌视紫红在盐沼泽中自然起作用，在那里的温度可以超过华氏150度，分子时常暴露在强烈的光照下。

在研究期间，用于对计算机信息处理器与存储器起作用的操作利用了所谓的光循环——细菌视紫红随光而产生的一系列结构上的变化。在其休止状态中，分子被称为bR，而一系列中间体中的每一个以字母表中的字母标记。各个中间体可以被用来代表数据的位。

并且，中间体吸收不同光谱区中的光，从而，通过将激光光束照在分子上并记下设有透过检测器的波长就能够读出数据。因为我们能够用一种激光改变视紫红的结构，然后用另一种激光确定究竟形成了什么中间体，我们就有了记入存储器与然后由此读出所需要的基础。

在研究期间的大多数装置都利用细菌视紫红的静止态与一个中间体。一个状态被指定为0，另一状态被指定为1，两种状态间的转换则由一束激光控制。许多早期以细菌视紫红作基础的存储装置只能在液态氮的极低温度下运行，在那种温度下，光诱发的初始bR结构与称为K态的中间体间的转换可以得到控制。与半导体开关相比，这些装置运行的速度是很快的（从bR到K的转换发生在一秒的万分之几的时间内，而与之相比，普通半导体装置则需要一秒的十亿分之几的时间）。但是，对这样低的温度的要求将其排除在一般用途之外。

现在大多数以视紫红作基础的装置在室温下或近于室温下运行，在这种条件下，另一种中间体M是稳定的。虽然大多数视紫红为基础的存储装置包含有由bR至M的开关，但是其它结构在以蛋白质为基础的计算机系统中实际上可能更为有用。

并行数据处理

细菌视紫红开始于光后产生的某些中间体，当它们在被称为连续的一个光子设计的过程中从第二束激光内吸收能量时，就会产生异乎寻常的结构。例如，这样一种分支反应，从O中间体上发生，形成P与Q。这些结构是由激光的两次连续脉冲导致的一一第一次是绿光，接着是红光，虽然P是相当短命的，它松弛成为Q的一种形式，这种形式的稳定期很长，这种Q态对研究长期的，高密度的存储器有极大意义。

在连续的一个光子过程中形成的中间体P与Q对并行数据处理特别有用。为了并行写入数据，我们的方法是把一种新发明包括进去：三维数据存储。细菌视紫红立方体的四周环绕着互相交错排列成90°的两组激光束。一组全部被调谐到绿色并称为选页光束的激光使立方体内任何选定的一个正方形平面（即页）中蛋白质的光循环起动。几毫秒以后，当0中间体的数目几乎达到最大值时，另一个激光器组——这时是红色光束——发光了。

第二组激光仅照射被激活的正方形中要写入数据的区域，并把那里的分子转变成P结构。P中间体随后松弛，形成高度稳定的Q态。如果我们规定二进制态0具有bR结构，二进制态1具有P与Q结构，该过程就类似于发生在半导体或磁心存储器中的二进制转换。因为激光器组能移激活整个选定的照射页上各处的分子，所以，被称作为地址的多个数据区可以被同时写入，换言之也就是并行写入。

我们的读出存储记忆的系统——无论在处理期间或提取结构期间——依赖于0中间体选择吸收红光。为了并行读出多个数据位，我们就像在写入过程中所做的一样开始工作。首先，绿色的选页光束使要读出的正方形蛋白质发光，从而使bR态分子的正常光循环起动。两毫秒以后，整个激光组启动，发出低强度的红光。处于二进制1态（P或Q中间体）的分子不吸收这些红色光束或改变它们的状态。

但是开始时处于原来的二进制0态（bR）的分子确实吸收了这些光束（但是没有改变它们的结构），因为它们已经转变成了吸收红光的0中间体。检测器使通过存储器立方体的光成像，并记录0的位置与P或Q结构的位置一一或根据二进制码，检测器读出0与1。该过程在将近10毫秒内完成，对存储器一页的速率是10兆字节。

三维存储器

除了利用并行处理外，细菌视紫红的三维立方体提供的存储空间比二维光学存储器提供的多得多。例如，一个相当新的非生物存储器系统有一块用激光光束写入和用磁场删除的磁性材料薄膜。这些存储器是二维的，因为数据被存储在圆盘的表面。这种二维存储器的存储能力限于每平方厘米大约1亿位。

可是，三维光学存储器的存储密度在理论上可以接近每立方厘米一万亿位。实际上，光学上的限制与硬件的限制使体积存储器的可能密度降低。然而，大多数研究者相信，将存储能力提高到比二维装置大300倍应该是可能的。的确，我预料生物电子学对计算机硬件的主要近期影响将是在体积存储器这一领域内。

速度也是体积存储器的一个重要优点。三维存储与并行结构相结合，提髙了这种存储器的速度，这就像人类大脑中的并行处理克服了相当慢的神经系统处理并让大脑成为一个具有快速反射与迅速做出决定能力的思维机器一样。上述的整个写入过程发生在大约10毫秒内。如果我们照射一个较大的蛋白质立方体内的一个1024位×1024位的正方形，我们就能够在10毫秒的周期内将1048576位数据，或者大约105千字节写入存储器。这些值表示每秒1千万个字符的总写入速度，它与慢的半导体存储器不相上下。可是，每个存储装置能够存取不止一个数据立方体，并且存储器的速度与并行运行的立方体的数目成正比。因此，8立方体存储器的运行就会快得多，为每秒8千万个字符。

存储器立方体在其组成上必须是极端一致的，这样才能保证准确的读出或写入，因为在一个区内的分子大多或太少都会使存储在那里的信息失真。在低重力下制造立方体可以产生存储装置所需要的均一性。研究这种可能性的两次航天飞机的飞行是由设在锡拉丘兹大学的W. M. Keek分子电子学中心与BioServe空间技术公司美国空军Rome实验室和国家航空航天局共同主持的。产生的结果是很鼓舞人心的，并且计划要作更多的飞行。

现在正在研究以细菌视紫红为基础的其它几种类型计算机系统。例如，生物分子作为神经网络，并且最终作为人工智能所需要的相联存储群的组件似乎是有希望的。

神经网络

相联存储器的运行大不同于在现今的计算机结构中处于支配地位的存储器。这种类型的结构时常以影像的形式获取一套数据，并且扫描整个存储器库，直到找到与它匹配的一套数据为止。在某些情况下，如果计算机不能找到完全匹配者，它就找出最接近的匹配者，在某种意义上说是以事实为基础推测出答案。因为人类大脑以神经相联的方式工作，许多计算机科学家相信，如果我们要实现人工智能，就需要大容量的相联存储器。

我所在的实验室研究了一种相联存储器装置，它依靠细菌视紫红薄膜的作息特性工作。全息图容许多个图像被贮存在存储器的同一程序段中，使其有可能同时分析大量的数据组。这种存储器系统是建立在加利福尼亚理工学院的Eung G. Paek与Demetri Psaltis的经典设计的基础上的。我们发现与用于制造这些存储器的光折射晶体相比，细菌视紫红有明显的优点。因为这种蛋白质比有机玻璃对光更敏感，所以可以采用强度较低的光。结果，写入与从存储器读出所需的能量就比较少，并且这种处理的速度也提髙了。而且，与晶体相比，细菌视紫红能够被写入与读出的次数更多，晶体通过反复的读出-写入循环以后则会因疲劳而受到损害。

在继续研究细菌视紫红的同时，许多实验室也在探测变型蛋白质在计算机装置中的价值。特别是他们在研究蛋白质的遗传工程类型，在这种类型中用一种氨基酸取代另一种氨基酸以便增强作特殊用途时所需要的一些性质。例如，正如慕尼黑大学的Norbert Hampp和Christoph Brauchle（与Oesterhelt合作）所表明的，通过从蛋白质中除去氨基酸要延长光循环中M态的寿命。

当然，生物分子计算机是最终目标。但是，正如我早就提到过的，大多数科学家认为，研制蛋白质作基础的计算机的第一步将是产生把半导体的最好的特性与分子结构结合在一起的混合系统。特别是由髙密度的蛋白质作基础的存储器部分构成的混合技术也许有助于解决长期存在的存储器的容量问题。

在过去的10年间，计算机处理器的速度增加了几乎1000倍。而外部数据储存能力仅仅增加了50倍。数据在计算机内的传送也仍然是限制其效能的要害所在。并行处理和以光为基础的互联两者把利用高效生物分子开关的混合计算机联系得更紧，这样就便于数据的大量储存、传送与操纵。

为了探索混合计算机的可能价值，我所在的实验室现在正在设计一种含有四种类型的存储器装置或处理器（称为卡）的混合计算机。带有这一计算机的中央处理机的卡将包括传统的半导体技术。两个卡将含有以蛋白质作基础的体积存储器，总容量大约为40千兆字节。这些卡中的一个将是快速的、永久性的与不用移动部件的随机存取存储器；另一个将提供轻便的，可抹除的长期数据储存。第4个卡将会有以细菌视紫红作基础的相联存储器。

计算机的未来

我们设想的混合计算机的适应性将是很强的。利用上述特殊的存储器卡组合，计算机就能够处理大量数据，进行复杂的科学模拟，或者起研究人工智能的极好的平台的作用。由于细菌视紫红立方体中存储器的容量接近万亿字节（1012字节），这种计算机能够以很高的灵敏度处理大数据库。结合体积存储器的相联存储器处理将会使数据库检索的速度比现在提高许多个数置级。由于可以设计这种混合计算机使其起能够以和人类大脑几乎相同的方式获悉与分析数据和图像的神经相联计算机的作用。所以不能低估混合计算机对人工智能研究可能具有的重要性。

虽然我们的小组与其他人在研制体积存储器与相联处理器方面取得了很大的成功，但是在能够建造完全可以使用的混合计算机以前，还需要做更多的工作。遵循这一方法去开发功能强大而又价格合理的设计，其它有竞争力的结构可能取代我们描述过的许多硬件成份。尽管如此，我们确信在今后8年内，某种类型的混合计算机将是可以利用的。

我们还进一步预料，在今后20年内，它们将演化成为如像用于科学计算与多媒体应用的某些计算类型的主要结构。个人计算机用户将得益于大而便宜的存储板。（这种存储板可存储许多千兆字节的数据）与在一个小的立方体内含几千兆字节数据存储器的可抹除存储元件。想象一下，在你的衣袋内装有一个小立方体，它储存的信息等于一部包罗万象的百科全书与你过去10年来所写的所有的文字，将有多大的好处。

但是你很可能在另一领域内找到它的最令人惊异的应用。由于具有兆兆字节数据存储能力，神经相联能力与髙度的并行处理数据的能力，混合计算机将首次兼具人工智能所需要的三种关键性的硬件要求。我们确实处在令人振奋的计算机技术新世纪的门槛上。

【胡天其/译  郭凯声/校】