爱尔兰研发DNA分子计算机,为超低能耗算力与长效存储提供新路径

近日,爱尔兰梅努斯大学(Maynooth University)汉密尔顿研究所研究团队对外公布重大科研突破,成功研发出一款由热力学优势驱动运行的DNA分子计算机。该成果突破了传统DNA计算机的能耗与稳定性瓶颈,为低能耗分子计算领域开辟了全新路径。

该研究成果已于2026年9月16日正式刊发在国际顶级期刊《自然》(Nature)上,该论文英文标题为《A thermodynamically favoured molecular computer》,请参阅图二。这款全新系统被命名为支架DNA计算机(Scaffolded DNA Computer,简称SDC),是目前全球运算复杂度与运行效率顶尖的分子计算机之一。

研究团队表示,该项研究成果攻克了传统分子计算能耗高、稳定性差的痛点,为超长期数据存储、无源节能计算以及可在细胞内运行、适配疾病精准检测的新型分子系统研发,提供了全新的技术思路与实现方案。在实验测试中,团队成功运行了10套差异化分子运算程序,涵盖乘3、除2、8位奇偶校验、25位数累加等多种运算场景,顺利完成高精度100位复杂运算,验证了系统的多功能运算能力。


从DNA折纸技术革新,搭建可编程微观计算网格

这款新型DNA计算机的核心设计灵感,源自成熟的DNA折纸术。研究人员依托专属设计软件,搭建出一条超长主DNA链作为结构支架,同时合成数百条短小且参数定制化的计算订书钉链,构成完整的运算基础单元。

研发人员将各类DNA链置于含水分子与盐分的试管环境中,通过加热、自然冷却的简单处理方式,让DNA链自主组装形成结构规整、秩序度极高的微观可编程计算网格,其中超长主DNA链全程承担整体结构支撑作用,保障运算框架的稳定性。

传统硅基计算机依托晶体管高低电压切换,形成二进制0、1信号以完成信息处理,运行全程依赖电力驱动。与之不同,SDC计算机以DNA遗传碱基对(A、T、C、G)的结合与解离反应为核心运算逻辑,实现信息的编码、处理与输出。

该设备的运算程序可在加热启动前,直接固化写入DNA序列当中,仅需短暂热能触发分子化学反应,驱动DNA链完成有序重排。依托分子自发趋向最稳定能量结构的热力学特性,系统可自动完成预设算法运算,最终形成的DNA稳定结构,即为精准的运算结果。

论文共同第一作者阿比尔·埃什拉(Abeer Eshra)与特里斯坦·斯特林(Tristan Stérin)表示,这款系统具备极强运行可靠性,核心原因在于其遵循热力学下坡运行规律。系统的正确运算结果在能量结构体系中具备绝对优势,可自动规避、覆盖海量指数级的无效分子构型,从底层杜绝运算偏差。这也让该设备无需搭载额外纠错软件,也无需精密的动力学精准调控,大幅简化了运行条件、降低了运行成本。

十类运算程序实测:最快30秒完成,设备可重复复用

研究团队设计的10项测试程序,全面覆盖加减乘除基础运算与校验、大数累加等复杂运算场景,充分验证了设备的通用运算能力。测试数据显示,简单的“10加3”基础运算,仅需30秒即可快速完成;针对1100万至3400万量级的超大数值累加运算,耗时最长约14小时,可精准完成超长位数复杂计算。

同时实验证实,该DNA计算机系统运行稳定性强、可重复利用率高,能够连续执行25次不同类型的运算任务,性能无明显衰减,具备良好的实用适配潜力。

埃什拉坦言,该设备的运算速度暂无优势与主流硅基芯片抗衡,但在全球同类DNA分子计算机中,其综合运算效率已达到当前最优水平。本次研究团队阵容多元,除两位第一作者外,高级研究员康斯坦丁·埃文斯(Constantine Evans)、本科生研究员珍妮特·阿迪奥(Janet Adio)均参与核心研发工作,达米安·伍兹(Damien Woods)教授为论文通讯作者。

摒弃持续供电依赖,仅需微量热能启动,大幅降低算力能耗

相较于传统计算机,SDC分子计算机最核心的突破在于彻底摆脱了持续电力供应的依赖,全程依托自主可控的分子化学反应完成运算。需要明确的是,该设备并非完全零能量输入,仅需微量热能即可触发整体运算流程,启动后无需任何后续能源补给。

这一能耗模式彻底颠覆了硅基算力设备的运行逻辑,为解决当下数据中心高能耗难题提供了全新方向。据爱尔兰中央统计局(CSO)公开数据显示,2025年爱尔兰数据中心耗电量,已占到全国计量总用电量的23%,相较于2015年5%的占比实现大幅攀升,算力能耗压力持续加剧。而SDC代表的热力学偏好分子计算技术,为超低能耗算力建设、长效数据存储领域提供了颠覆性的发展思路。

技术现存局限与未来应用前景

研究团队同时客观指出,目前SDC仍处于实验室原型研发阶段,在运算规模、整体响应速度、外部适配接口等方面,尚未达到通用商用计算机的标准,暂无法替代传统硅基算力设备。

但该研究的核心价值在于完成了关键性技术验证:通过精准设计可编程介质的能量景观,可引导分子计算自发输出精准结果,从原理上证实了热力学驱动分子计算的可行性。后续团队将重点攻坚系统可扩展性优化、细胞内稳定运行适配、与现有数据存储平台的融合对接等核心难题,推动技术从实验室原型走向实际应用,落地于医疗检测、生物算力、长效数据存储等细分领域。

总结展望

这项研究首次验证了热力学驱动分子计算的可行性,为突破硅基算力能耗瓶颈提供了全新范式。尽管SDC尚处实验室阶段,但其零电力运行、高稳定性和可复用特性,已为未来生物计算、长效存储及细胞内诊疗开辟了极具想象力的应用空间。

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更新时间:2026-09-20

标签:科技   爱尔兰   长效   路径   分子   计算机   热力学   精准   可编程   设备   团队   稳定性   核心

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