DNA逻辑电路与计算系统关键技术研究

According to the intrinsic demand for developing information society, both Moore’s Law and Hilbert-López’s Law have put four unprecedented challenges on future implementation and computing techniques: non-semiconductor base, low-cost fabrication, novel computing modes, and wearable & implantable. How to choose proper technique roadmap has emerged as one of the most critical problems under the background of global informatization. To this end, this research project plans to conduct thorough investigation on: 1) formal DNA circuit design methodology covering “combinational logic-time logic-sequential logic” (Realization); 2) reasonable and fair cost function for performance & complexity evaluation of DNA systems (Evaluation); 3) stochastic computing based on DNA systems (Calculation); 4) DNA computing and prediction systems which are suitable for big data and large-scale systems (Integral Prediction); 5) inter-reactions of multiple DNA systems (Evolution). Based on those steps of research, we are optimistic to finally solve related scientific problems, and offer solid key theoretical and technical supports to present DNA logic circuits and computing systems (RECIPE).

信息社会发展的两大标度律对未来实现与运算技术提出了：非半导体基底、低制备成本、创新运算模式、可穿戴可植入等四个具有挑战性的指标需求。如何选择合理的技术路线，成为全球信息化蓬勃推进的背景下亟待解决的问题。本课题拟针对DNA逻辑电路与计算系统开展关键技术研究。课题拟：1）研究涵盖“组合逻辑-时钟逻辑-时序逻辑”的形式化DNA电路设计方法学（Realization）；2）研究合理、公平的代价函数，用以评价DNA系统性能与复杂度（Evaluation）；3）研究基于DNA分子反应的随机计算系统（Calculation）；4）研究适用于大数据、大系统场景的DNA计算与预测系统（Integral Prediction）；5）研究多DNA系统之间的相互作用机理，探索相关演化问题（Evolution）。最终通过解决相关科学问题，给出适用于信息化社会发展的DNA逻辑电路与计算系统的关键技术（RECIPE）。

研究者在项目支持下，针对DNA逻辑电路与计算系统开展关键技术研究：1）研究涵盖“组合逻辑-时钟逻辑-时序逻辑”的形式化DNA电路设计方法学；2）研究合理、公平的代价函数，用以评价DNA系统性能与复杂度；3）研究基于DNA分子反应的随机计算系统；4）研究适用于大数据、大系统场景的DNA计算与预测系统；5）研究多DNA系统之间的相互作用机理，探索相关演化问题。研究者提出基于卡诺图的、化学反应网络实现组合逻辑的设计方法，并在此基础上将对应的化学反应网络化简步骤进一步简化，减少30%以上的所需化学反应。提出基于齿轮系统的、化学反应网络实现时钟系统的设计方法。提出基于有限状态机的、化学反应网络实现时序逻辑的设计方法。实现“组合逻辑-时钟逻辑-时序逻辑”的DNA电路设计方法学，设计出可以实现常见逻辑计算功能以及神经网络功能的演示系统。基于状态转换机制，通过调整化学反应网络的物质浓度、速率等参数，完成转移概率的映射，实现置信度进化算法。最终通过解决相关科学问题，给出适用于信息化社会发展的DNA逻辑电路与计算系统的关键技术。通过反应动力学分析、仿真验证、及原型设计与实验，为后摩尔时代的电路与计算系统提供可行的候选方案以及相关技术基础。