电子工业的新纪元即将开始，虽然目前意识到这一点的人不多。这将是一个生物集成电路的时代，行将出现的是同大分子一样大小的集成电路，可以将它们植入人体细胞内进行修复工作，甚至能制成带有人体细胞DNA信息因而具有自我复制能力的集成电路。
生物集成电路对不同的人有不同的含意。最简单的理解是：它是一种能在生物环境中起作用的经过改进的常规集成电路。已经出现几种这样的电路，它们被封装在特殊的塑料膜里，含有能破坏抗生素的酶。这些“生物传感器”可以用来监测巨大金属抗生素发酵罐里细菌产生的微量青霉素。其他一些被称为“离子敏感场效应半导体”的微小器件能跟人体和谐共存，植入人体后能正常进行各种工作，譬如说，监测心脏的活动。
另一些科学家谈论的是更近乎幻想的生物集成电路，它们干脆就是复杂的有机物分子（例如蛋白质）组成的。有的仅仅是涂在玻璃片上的单层蛋白质分子，上面覆以金属线路，构成常规型式的平面型集成电路。而有一些科学家则已在考虑如何应用活性特别强的蛋白质（例如酶）组成立体的分子阵列，以便将它植入人体细胞内，让它像集成电路一样指导电流脉冲。
几乎完全独树一帜的是Warwick大学理论物理学家John Barker。他想象中的生物集成电路由常规材料制成，但高度复杂，甚至达到人脑的水平。Barker认为这种集成电路的特点不仅是小和快，重要的是更加“聪明”。
它们的“智能”可能给疾病的治疗带来一场革命。Barker认为植入瘫痪者脊髓内的这种微型生物集成电路能接收微弱的电讯号，将其转换为使瘫痪肢体运动的指令。这种“有头脑”的集成电路几乎不必从外界接受指令。生物集成块能在受损伤的脑子里形成它们自己的神经网络，或甚至能进行修复工作，有的则能使盲人部分恢复视力。Warwick小组正在设计一种生物集成块，它能觉察与心脏跳动肌肉相关联的钙离子的微弱变化。当心脏跳动不正常时，它将发出警号。经改进后，这些集成电路甚至能将取得的信号跟正常的模式进行比较，并对心律进行校正。Barker认为这种会比较的能力近乎“作出判断”——或称之为“推理”。然后，难道不能出现会“思考”的集成电路？
这些认为生物集成块不过是微处理机时代的逻辑延续的自由思想家一如John Barker和国际商用机器公司的Arich Aviram——都是生物化学家和物理学家。大部分电子工程技术人员嘲笑这些想法，虽然这种集成电路可能为整整一代新的会“思考”的机器人开辟道路。工程师们对限制生物集成块发展的设计上存在的问题知道得太清楚了。目前已制成集成度极高的集成块，2毫米见方的硅片上竟能容纳45万比特的信息，单个元件线度不超过4微米，制造起来既困难又昂贵。怎么能想象得出将数以百万计的分子般大小的元件统统挤在一丁点大的集成块里呢？怎么可能使各元件之间不产生相互干扰的“串话”现象呢？即使在将来，用什么手段才能制造出这么微小的东西呢？
目前，还无法肯定何种意见是正确的。在这一片混乱中，谁也说不上对生物集成块有一个清楚的看法。这种情况是不足为奇的。不过，各种看法可归结为两条路线。在美国，部分研究人员认为生物集成块应该是由蛋白质而不是由硅制成的常规电子电路。另外_些人，如纽约附近的国际商用机器公司研究中心的Arieh Aviram则认为，我们完全可以跳出常规的框框，设计制造立体的集成电路，部分模仿人脑的复杂结构和功能。
另一方面，英国科学家则倾向于应用传统的材料-硅-或是更新型的砷化镓合金，但从根本上对集成电路的设计予以重新考虑。Mavericks同John Barker都相信现有技术已能制造出由线度不大于0.02微米的元件组成的集成电路块。这不是新想法。不过，Mavericks还相信有可能建立起“串话”交连，对这种极靠近的元件间出现的通常导致不可靠性的不可避免的现象予以利用，让各器件相互沟通，省去许多常规集成电路的繁杂金属联接-硬件。Barker认为这种器件间的串话交连同分子通过电场相互制约可以相比。对许多电子专家来说，这种想法纯属异端，因为他们认为常规集成电路产生的问题大都是这种或那种串话所引起的。
常规设计的极限
常规集成电路是如何进行设计的呢？为什么有些工程师认为对于硅基电路来说，几乎已经达到了技术的极限？
简单说来，硅集成电路是这样制作的：给纯硅片加入某种叫做掺杂剂的杂质，让它获得某种有用的性质。掺杂剂改变了硅材料中电子（负电荷携带者）或“空穴”（正电荷携带者）的运动特性。掺杂的部位形成加工过的硅的小“岛”相互间隔仅几微米。每个小“岛”各代表一个常规零件，如电阻、电容器或是晶体管。
目前的集成电路都已专门化，正常情况下只具有一种功能。某一种集成电路用来储存数据——记忆集成块；另一种集成电路会指挥和组织——处理器。有的则向处理器或记忆装置馈入信号，并在经过处理以后，将这些信号取出。
有可能将这许多器件统统压缩在单一的集成块里——正如微处理机所做的那样。目前已出现能容纳450,000个记忆、逻辑推理和处理器件的集成块。某些专家认为，不必靠生物集成电路已有可能将数以百万计的器件安装在一片常规集成块里。Phoenix的Motorola半导体R&D实验室主任David Metz宣称：“我们现在已拥有制造2~3百万比特集成电路的技术，问题在于销路。”
常规集成电路的制造要使用光刻技术——在感光表面“画”上区分不同零件的边界。工程技术人员采用紫外线在硅层上勾画出二氧化硅的复杂线路。经过处理，这些线路成为进入硅体的开口，可容掺杂剂离子通过扩散法或植入法进入。于是，工程技术人员得到了一系列组成电路的“岛屿”。
用来刻划硅层表面的紫外线的聚焦能力给集成电路元件和金属连线的尺寸定出了下限。对于商业集成电路，为1到10微米。理论上，波长短的紫外线能“写”出小至0.5微米的细节，但在实际上，衍射效应使下限未能小于1微米。
这种衍射效应可以通过使用波长更短的光，予以部分的克服。超大规模集成电路（VLSI）光刻技术采用软（能量较低）X射线和电子或离子流，可以将加工尺寸降为0.01微米数量级。这一技术支持Metz的意见，即认为无须借助于蛋白质分子也能设计制造出超大规模集成块。
John Barker对此将表示同意，因为他正计划使用这些技术，打算采用硅和砷化镓等材料，制造他的超大规模集成电路。不过，像Metz这样的电子学专家不相信Barker的“串话”理论能行得通；他们宁可从用堆垒的方法制造立体集成块这条路入手。
Barker为他的理论进行辩护。他认为很难按照常规方法制造超大规模集成电路，因为无数内部联系的通道将占据很大的空间。这些系统还容易受大气辐射的破坏。由于必须将元件串联以进行长链式的逻辑运算，将会发生“接线问题”。Barker认为，如果将各元件间的联接改为并联，集成电路块将能够同时进行大量运算，从而提高电路的效率。大型计算机和微型计算机的并联运行已被采用，但在这里，我们说的是一个集成电路内部的并联运行，Barker认为，“选择超大规模集成电路使用的计算机结构，实际上是在相当程度上对基本计算机科学予以重新考虑。”
Warwick大学的Barker小组已在对计算机模型的生物集成块设计进行理论上的探讨。这些模型的理论根据如下：当硅集成块各元件间的距离接近0.01微米时，电子从邻近元件逸入的概率将很有限。这种叫做“隧道效应”的现象是高集成度电路块工作不可靠的原因之一。
Barker这样来考虑问题：“当两个元件的距离接近分子的大小时，要完全隔离某一元件会变得越来越困难。元件的总体结构将比半导体本身对阵列电性能的确定具有更重要的作用。”
为了验证他的理论，Barker等已经制成一些计算机模型，用以模拟元件异常靠近并只被部分隔离的电子器件阵列。在这种情况下，各阵列立即重组成不同电子结构间的“合作跃迁”。
海绵和隧道
Barker的生物集成块由砷化镓制成，充满了掺杂剂，布满电子能通过的隧道。这些能穿过隧道的电子在移动时建立起可以预先测定的电势差。这表示器件能进行并联的数据运算，因此整块电路可能“进行对比，并作出判断和初步的决定。”Barker宣称：初步的研究表明，合作超大规模集成电路网络可能用于具有自愈能力的逻辑阵列，它在相当程度上能修复因辐射而导致的损坏。它们可能形成会对数据进行分类和联系的记忆系统的基础，甚至可能发展成为具有形状识别能力的“人工智能”单元。由于元件间的联系千变万化，单一的集成电路块可以做得更加高级。
John Barker说，他的生物集成块看上去跟通常的集成块差异不大，只不过元件安排要紧得多。关键在于这种集成块会进行相互启发的协作。就是说，它不要求程序控制者一直输入指令，集成块会逐渐具有自学的能力。
最初，程序制定者可能仍需给予某些数学指令，Barker称之为“目标”、“运算规则”和“策略”。然后集成电路块就会根据确定的目标，选取最佳路线予以完成。随着时间的流逝，一个特殊的长期记忆功能将把多次的选择和决定作为“经验”储存起来。在面临新的“选手”和“规则”时，它将会利用这些经验作出新的“决定”。Barker宣称，能够从前次的决定积累经验，表明集成块不仅能改变“运算”的规则和策略，而且能最终对目标进行修改和校正。
Barker认为我们能把上述这一切建立在一个常规的逻辑体系之中，问题在于其软件非常复杂，而且对于故障异常敏感。另外，它的工作速度也极慢。
在他的体系里，器件的并联运转将使集成块的运算能力提高至少一百万倍，而且在理论上，这种能力的提高是无限的。
这就是生物集成电路的一种类型。另一种（主要在美国开展研究）则完全跟传统的集成电路材料毫不相干。
早在1974年，纽约国际商用机器公司研究中心的Arieh Aviram和Philip Seileu同纽约大学的化学家Mark Ratner共同发表了一个最新发现一某些有机物具有“整流”的能力。他们发现诸如血红蛋白这样的分子能以两种电状态而存在，其分子内部的电荷分布略有不同。这种现象是因氢键的转换引起的。Aviram等给这种血红蛋白通以电流、能够改变其电荷分布。换言之，这些分子同常规电算机或微处理机内部的元件一样，能起二进位制编码“通”“断”信号的储藏作用。
在这个发现以后的七年多时间里，Aviram已取得应用这种效应制造有机集成电路块的专利。他认为这种分子整流器性能比常规集成块优越得多，用这种分子组成的计算机工作时无需和外界交通。程序制定者需要做的只是在电极的一端通过光信号或电信号给它一个总的指示，而后它将会完成一切。使用者不必将运算细节译成一系列逻辑指令，这在今天的计算机里是省不了的。分子整流器同Barker的生物集成块样，会根据指令自动改变电荷分布和分子结构。最后，集成电路块会给出使用者要求得到的结果。
Aviram认为，用有机物分子取代目前使用的常规集成电路元件，理由之一是前者可组成立体阵列，打破常规集成电路只能在平面上安排元件的框框。这将使复杂性大大增加，体积反而缩小。氢键电状态的变换几乎不消耗能量。因此这种有机集成块能测知接近于人体内产生的那种极为微弱的电荷。有可能将这种集成块临时或永久植入人体，让它们进行某些修补工作，甚至给受损害的脑神经或脊髓神经架设旁道。
但是，Aviram认为20年内不会出现这样的器件。“譬如说，我们能应用遗传工程制造分子链，但还不能制造立体网络。我们甚至还未制成有机性质的基本元件——电容器、晶体管、电阻器。对于这种集成电路的结构，我们尚无具体的概念。”
由James McAlear和John Wehrung领导的马里兰州Rockville—家新公司的电子专家和生物化学家发明小组，对有机分子开关和有机计算机设计的未知领域作了进一步的探索。EMV公司的想法是用极薄的一层（单层）有机物分子取代硅，它们能像计算机或微处理机里的元件一样，控制电子的移动。EMV的科学家还着眼于复杂的分子（如蛋白质分子），想用它们制成能植入人体细胞中的集成电路块，这种集成电路块甚至有自我复制的能力。
EMV公司创始人之一的John Wehrung说，有可能通过“次装配”的方法将这种分子组成立体结构。他对“次装配”的解释是：蛋白质分子和其他生物分子有如锁和钥匙一它们只在特定的场合和特殊的方向上联结在一起。因此他相信有可能通过高度结构的方式触发一层薄膜的生长。在次装配中，这些薄膜将能同其他特别令它感兴趣的分子结合、这些分子将在特定部位起逻辑门的作用。在集成电路装配完成之后，就可以接上导线以便引入电子；如果集成块是用来植入人体，它将能接受食物燃烧时释放的能量/这些同样也是低功耗电路，所发生的情况只不过是被系分子原子间的双键变为单键时交换了少数电子。
这些复杂点阵的设计者，不论是任职于国际商用机器公司这样的大公司还是较小的新创的企业，都承认他们得依靠大型电子计算机首先设计出生物集成电路，然后可能再依靠遗传工程大量制造所需要的分子。
Rockville的另一个有创造性但较小型的Genex公司的一位思想解放的科学家K. M. Ulner对于遗传工程的应用甚至更具有幻想性。他认为有可能利用遗传工程制造一组基因，一旦引入人体细胞，将指令这个细胞用蛋白质建立一个微型电子计算机。“整个分子计算机所使用的原料可能就像矿物质盐类和糖的溶液一样简单和便宜。”而一旦基因成为细胞遗传结构的一部分时，宿主将利用自身的蛋白质不断生产出小型计算机来。“要修改电路的设计，只需要使用标准的DNA重组技术，对DNA序列予以改变即可。”同一组基因可以按不同程序编排，建立不同类型的计算机，需要的只是往细胞里增加不同的化学物质。这种想法使我们有可能设想将生物集成块植入人体适当的部位，促使年轻的、未成熟的细胞成熟，让它们担任一些特定的任务，譬如说，使它们能对光信号起反应，这意味着能使盲人重见光明。
EMV公司已经就一种简单的“生物集成块”取得专利。这种生物集成块受到广泛的注意。在北Calorina州立大学神经和脑外科教授Jacob Hanker博士的合作下，EMV的研究人员用玻璃片代替硅片，在上面覆盖单层的蛋白质分子，其上再盖一层塑料。电子流在防染剂上描出线路，使被照射的地方形成窗格一样的表示线路的硬化条纹。然后用酒精洗去硬化部分、露出下面的蛋白质。当把集成电路浸入银中以后，蛋白质（复赖氨酸）将金属组成电路的模式。它具有同通常半导体一样的导电性。
EMV小组之所以使用复赖氨酸，是因为它同金属和玻璃都能联接。不过，Hanker认为其他蛋白质也有同样的功能。
更重要的是，使用电子流刻技术能使蛋白质材料得到单位面积电子开关数比常规器件多100,000个的集成电路，并能以超导体的速率进行运算。其所以性能优越，是因为蛋白质集成电路表面比硅表面能覆盖上薄得多的防染剂。
缺乏研究经费
国家科学基金会已给EMV拨款三万美元，用来研究一种帮助盲人重见光明的生物集成电路。这种以蛋白质为基础的集成电路将独立于大脑，又同大脑相联系。植入盲人眼后部的这种生物微器件将利用胚胎神经细胞作为桥梁，同大脑的视觉皮层联系起来。
除EMV和为数不多的几个分散研究单位外，不大有电子厂家研究生物集成电路，虽然可用来医治心脏病的可植入的生物集成块或是可用来制造“智能”机器人的生物集成块有着不可否认的引人入胜的巨大市场。像一些大厂家，虽然不是无钱可花，但却只紧盯着能在短期内获取利润的生物传感器，像Motorola这样的中型厂家则公开承认无力从事这种长期研究项目。Metz说，“我们出不起新设计的试验费用。”只要一想到把常规计算机改装为生物集成电路块所需的巨大费用，都会不寒而栗。
某些政府机构对此颇感兴趣，主要是从军事上着眼。日本在制造“人工智能”和启发式计算机方面已经有庞大的研究计划。美国则刚刚开始发生兴趣。华盛顿的海军研究实验室前几年就开始研制导电的有机聚合物。它每年花费千百万美元，为的是给昂贵的制造常规集成电路的金属寻找廉价的代用物，以减少政府对第三世界的依赖。欧洲，特别是英国，在制造Langmuir Blodgetl膜的技术上领先。这是单层的有机物分子，是新生物集成电路技术的一种组成单位。但也只是在最近，作为主要资助单位的科技研究委员会决定对这项研究给予大量资助。
那么，究竟市场的“促进”或是“拉后腿”会不会影响这些革命性器件的发展？新纪元将始于何时？
[New Scientist，1982年1月14日]