智能时代专题：生物计算
免费版1,703字，预计阅读4分钟
完整版13,917字，欢迎付费解锁
1965年，仙童半导体研究开发实验室主任、美国计算机科学家摩尔，应邀为《电子学》杂志35周年专刊撰写评论报告，预测未来10年间半导体元件工业发展趋势。
全球半导体产业，当时刚刚萌芽，英特尔尚未成立，摩尔大胆描绘半导体产业宏伟蓝图，提出后来世人熟知的摩尔定律。摩尔预见到，集成电路上可容纳晶体管数目，每隔12个月左右便会增加1倍，性能也会提升1倍。
随着时间推移，摩尔在1975年对这一定律进行修正，摩尔在电气与电子工程师协会IEEE学术年会提交论文，根据当时实际情况，对摩尔定律进行修正，把集成电路上可容纳晶体管数目，每隔12个月增加1倍，改为每隔24个月增加1倍。
这一修正，没有减缓摩尔定律的魔力，它继续引领信息技术飞速发展，成为推动算力与生产力发展的强大引擎，不仅是半导体行业圣经，也成为科技创新的传奇。
摩尔定律指引下，英特尔1971年发布世界上第一款商用计算机微处理器4004，这颗小小的芯片，采用10微米（1微米=1,000纳米）工艺生产，在当时已是极为精密的制造技术，包含2,250个晶体管，与今天数以亿计晶体管相比，微不足道，但正是这2,250个晶体管，开启全新的时代。
英特尔4004微处理器
随着半导体技术不断进步，晶体管尺寸越来越小，集成度越来越高。每一次工艺突破，都为人类带来更强算力。晶体管尺寸已缩小到纳米级别，继续缩小空间越来越小，就像是在攀登珠峰最后一段，每一步都充满未知与危险。从10微米到1微米，再到0.35微米、0.18微米，直到7纳米、5纳米、3纳米、2纳米，甚至更小。
晶体管售价曾经高达150美元1个，到2019年，1个典型的英特尔微处理器包含50亿个晶体管，每个成本仅0.0000001美元。
正如任何伟大旅程都会遇到挑战，摩尔定律在带领我们走过辉煌旅程后，也面临物理极限考验。科学家们清楚，摩尔定律带来的增长不可能无限持续，摩尔定律正逐渐触及物理法则极限。
随着晶体管尺寸不断减小，晶体管正在接近原子尺度。原子尺度上，量子效应开始显著，电子行为不再遵循经典物理规律，使得晶体管制造与操作变得更加复杂与不确定。
芯片上晶体管愈发密集，管道间距离一旦小于1纳米，就会出现问题，电子在运动过程中将穿过晶体管壁，乱成一锅粥，无法再形成稳定有序电路，致使计算无法正常进行。
进入后摩尔时代，延续算力增长、激发算力应用，成为全球半导体产业新使命。部分科学家开始寻找能力更强大、可突破目前电子计算机瓶颈的下一代计算机。
当前AI算法迭代遵循Scaling Law，通过增加计算资源与数据量提升模型性能，Scaling Law带来巨大能耗与计算成本，成为限制AI发展的瓶颈。与此同时，气候挑战日益严峻，不断膨胀的AI正在消耗越来越多电力。
瑞士生物计算创业公司FinalSpark统计，仅训练GPT-3模型耗电10GWh，相当于欧洲6,000人1年用电量，随着AI应用普及，推理能耗将越来越高。反观人脑，拥有860亿神经元，每秒能完成上万亿次运算，功耗不到20W。
在这样背景下，科学家们正在寻找能够突破摩尔定律限制的新型计算机，以满足未来对算力巨大需求，减少对环境影响。后摩尔时代舞台上，生物计算如同一颗冉冉升起的新星，吸引全世界目光。
生物计算采用DNA、RNA、蛋白质等天然生物材料作为信息载体，从无机的硅基转向有机的碳基。碳基材料，有望全面超越硅基器件性能极限，为后摩尔时代开辟新的增长空间。
DNA计算为例，DNA每条单链都可看成是1台计算设备，内部海量链条可被看成数据中心，相当于大量计算机在同时进行运算。
数据存储方面，1克DNA理论上可存储455EB数据，意味着1座类似购物中心规模的数据中心，可被缩小为1块方糖大小。这样密度下，1kg DNA能储存444 ZB（1ZB=1,024EB），作为对比，中国 2023 年数据生产总量32.85 ZB，DNA蕴藏存储能力远超当前需求。
DNA数据存储与读取示意图
生物计算在能效方面同样优势明显，生物系统在信息处理与能量利用方面具有显著优势。人类大脑能效远高于人工计算机，与传统电子计算机相比，生物计算机在执行相同计算任务时，能耗可显著降低。这是因为生物计算利用的是生物分子的自然反应，而不是电子流动，减少能量损失。
生物计算机具备生物活性，有望助力实现人机融合的终极目标。生物计算机模仿生物体的处理与信息存储机制，能与生物组织直接交互，与人体组织有机结合，包括与大脑和神经系统相连，成为人身体的一部分，实现真正的人机融合，从而释放人类潜力，超越生物能力限制。
相关研报：
【智能时代】自动驾驶：汽车iPhone时刻，中国三大流派演化形成中
诸神之战：美国科技巨头，从春秋五霸进入战国七雄｜GBAT 2023 大湾区智能时代产业峰会
人类未来文明三部曲之二：智能时代专题预售开启，奇点临近，未来已来
九宇资本赵宇杰：智能时代思考，认知思维，存在原生、降维、升维三波认知红利
九宇资本赵宇杰：智能时代思考，以史为鉴，科技浪潮，从互联网到AI
九宇资本赵宇杰：智能时代思考，宇宙视角，从碳基生物，到硅基智能体
人类未来文明三部曲之一：元宇宙专题预售开启，59期45万字
九宇资本赵宇杰：1.5万字头号玩家年度思考集，科技创新，无尽前沿
九宇资本赵宇杰：1.5万字智能电动汽车年度思考集，软件定义，重塑一切
【重磅】前沿周报：拥抱科技，洞见未来，70期合集打包送上
【重磅】六合年度报告全库会员正式上线，5年多研究成果系统性交付
【智能电动汽车专题预售】百年汽车产业加速变革，智能电动汽车时代大幕开启
【头号玩家第一季预售】：科技巨头探索未来，头号玩家梯队式崛起
【头号玩家第二季预售】：科技创新带来范式转换，拓展无尽新边疆
【首份付费报告+年度会员】直播电商14万字深度报告：万亿级GMV风口下，巨头混战与合纵连横
【重磅】科技体育系列报告合集上线，“科技+体育”深度融合，全方位变革体育运动
【重磅】365家明星公司，近600篇报告，六合君4年多研究成果全景呈现
九宇资本赵宇杰：CES见闻录，开个脑洞，超级科技巨头将接管一切
【万字长文】九宇资本赵宇杰：5G开启新周期，进入在线世界的大航海时代｜GBAT 2019 大湾区5G峰会
九宇资本赵宇杰：抓住电子烟这一巨大的趋势红利，抓住产业变革中的变与不变
【IPO观察】第一季：中芯国际、寒武纪、思摩尔、泡泡玛特、安克创新等11家深度研报合集
【IPO观察】第二季：理想、小鹏、贝壳、蚂蚁、Snowflake、Palantir等12家公司深度研报合集
【IPO观察】第三季：Coinbase、Roblox、快手、雾芯科技等12家公司深度研报合集
【重磅】年度观察2019系列合集：历时3个多月，超20万字近500页，复盘过去，展望未来，洞悉变与不变
【珍藏版】六合宝典：300家明星公司全景扫描，历时3年，210万字超5,000页，重磅推荐
九宇资本赵宇杰：对智能电动汽车产业的碎片化思考
九宇资本赵宇杰：九宫格分析法，语数外教育培训领域的道与术
【2023回乡见闻录】90、00后小伙伴们万字记录，生活回归正轨，春节年味更浓
【2022回乡见闻录】20位90、00后2万字，4国13地，全方位展现国内外疫情防疫、春节氛围、发展现状差异
【2021回乡见闻录】22位90后2万字，就地过年与返乡过年碰撞，展现真实、立体、变革的中国
【2020回乡见闻录】20位90后2万字，特殊的春节，时代的集体记忆
【重磅】22位“90后”2万字回乡见闻录，讲述他们眼中的中国县城、乡镇、农村
六合君3周岁生日，TOP 60篇经典研报重磅推荐
下午茶，互联网世界的三国杀
5G助推AR开启新产业周期，AR眼镜开启专用AR终端时代
新商业基础设施持续丰富完善，赋能新品牌、新模式、新产品崛起，打造新型多元生活方式
【重磅】中国新经济龙头，赴港赴美上市报告合辑20篇
知识服务+付费+音频，开启内容生产新的产业级机遇，知识经济10年千亿级市场规模可期
从APP Store畅销榜4年更替，看内容付费崛起
新三板破万思考：新三板日交易量10年100倍？
九宇资本赵宇杰：科技改变消费，让生活更美好｜2017 GNEC 新经济新消费峰会
九宇资本赵宇杰：创业时代的时间法则，开发用户平行时间｜2016 GNEC 新经济新智能峰会
九宇资本赵宇杰：互联网引领新经济，内容创业连接新生态｜2016 GNEC 新经济新营销峰会
请务必阅读免责声明与风险提示
