DNA能掀起下一次的存儲革命嗎

二十世紀(jì)以來，我們的數(shù)據(jù)存儲方式從磁帶、軟盤和CD等介質(zhì)進(jìn)化到了能夠在無數(shù)微型晶體管中保存數(shù)據(jù)的精密半導(dǎo)體存儲芯片。但是，人類不斷增加的數(shù)據(jù)會對存儲方式帶來新的壓力，也將推動存儲方式的持續(xù)變革,DNA或?qū)⒃谶@一次變革中發(fā)揮重要作用。

在摩爾定律之下，我們已經(jīng)看到硅芯片存儲容量呈指數(shù)級增長。然而，與此同時，人類產(chǎn)生新的數(shù)字信息的速度同樣呈現(xiàn)出了爆發(fā)式增長狀態(tài)。截至2016年，數(shù)據(jù)用戶每天生產(chǎn)超過440億GB的數(shù)據(jù)。據(jù)IDC預(yù)測，到2025年，這一數(shù)字將超過4600億GB，而全球當(dāng)年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量將達(dá)到160 ZB（160萬億GB）。

另據(jù)預(yù)測，到2020年全球可能會有30億到50億的全球人口接入互聯(lián)網(wǎng)，這些新增的互聯(lián)網(wǎng)用戶所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同樣會面臨大規(guī)模的增長?？傊?，我們或許很快就會生產(chǎn)出遠(yuǎn)超我們存儲能力的更多數(shù)據(jù)。雖然網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商與各大互聯(lián)網(wǎng)公司都將從新增的數(shù)據(jù)節(jié)點與流量中獲利巨大，但這也會對動則數(shù)千萬甚至上億美元的數(shù)據(jù)中心建設(shè)帶來顯著壓力。

去年，僅美國就花費了200億美元用于新的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，使數(shù)據(jù)中心建設(shè)的資本支出比2016年翻了一番。此外，自然界中很少有純的存儲器級硅元素，而研究人員預(yù)測它將在2040年被耗盡。隨著利用DNA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的新興技術(shù)的出現(xiàn)，這些問題將會成為過去時。通過將數(shù)據(jù)編碼進(jìn)DNA的微小分子，在未來，我們可以將整個數(shù)據(jù)中心放入幾瓶DNA中。

那么，什么是DNA存儲？DNA是由四個堿基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）的雙螺旋鏈構(gòu)建而成的。這些鏈一旦形成，就緊緊地折疊起來，形成非常密集、又節(jié)省空間的數(shù)據(jù)存儲器。為了將數(shù)據(jù)文件編碼到這些堿基中，我們可以使用各種算法，將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為堿基核苷酸：也就是將0和1轉(zhuǎn)換為A、T、C、G，而“00”可以被編碼為A；“01”編碼為G，“10”編碼C，“11”編碼為T。

將數(shù)字編碼轉(zhuǎn)化為化學(xué)編碼，這就是DNA數(shù)據(jù)存儲最核心的奧秘。一旦編碼，則可以通過具有特定堿基模式的合成DNA來存儲信息，最終被編碼的序列可存儲在具有保質(zhì)期長達(dá)數(shù)千年甚至上萬年的小瓶子里。而從理論極限上來看，一克DNA就能存儲2.15億GB的數(shù)據(jù)。

但是，在目前，數(shù)據(jù)編碼的成本還非常昂貴，存儲速度很慢，數(shù)據(jù)讀取也難以實時。同時，數(shù)據(jù)的檢索與讀?。ㄍㄟ^基因測序儀），特別是對大型數(shù)據(jù)庫的隨機(jī)訪問如何不出錯，也是科研機(jī)構(gòu)和大公司正在攻克的問題。目前，華盛頓大學(xué)開發(fā)的DNA存儲系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)隨機(jī)訪問其系統(tǒng)中超過400M DNA編碼的數(shù)據(jù)而不出錯。400M，看起來如此微小的數(shù)據(jù)量，則可能是通往未來大規(guī)模DNA存儲的一大步。

更多研究人員也已經(jīng)在研究分子計算的潛力。例如，哈佛大學(xué)的George Church教授和他的實驗室設(shè)想在DNA中直接捕獲數(shù)據(jù)。正如Church所說：“我對制造沒有任何電子或機(jī)械部件的生物相機(jī)很感興趣”，信息可以由此“直接進(jìn)入DNA”。Church表示，DNA記錄器將自動捕獲視聽數(shù)據(jù)?！澳憧梢园阉嬙趬ι?，如果有什么有趣的事情發(fā)生，只需要刮掉一點并讀取它。這一天的到來并不會那么遙遠(yuǎn)。”

有一天，我們甚至可以記錄體內(nèi)的生物事件。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，Church的實驗室正在努力開發(fā)一種完全不需要電極的體內(nèi)神經(jīng)活動DNA記錄器。即使在我們能夠保證無誤的數(shù)據(jù)檢索與隨機(jī)訪問之前，DNA數(shù)據(jù)存儲也具有直接的市場應(yīng)用。

當(dāng)前，大部分企業(yè)都將其歷史數(shù)據(jù)直接進(jìn)行歸檔。而隨著時間的推移，大多數(shù)數(shù)據(jù)變得不再那么重要，被快速檢索的必要性也不再那么大。這必然會造成基礎(chǔ)設(shè)施、計算能力的浪費。反之，數(shù)據(jù)編碼的DNA可以在寒冷、黑暗和干燥的條件下保存長達(dá)10000年的時間，而隨著檢索算法和生化技術(shù)的改進(jìn)，跨數(shù)據(jù)編碼的DNA的隨機(jī)訪問可能變得和點擊桌面上的文件一樣簡單，儲存成本也只會是當(dāng)前模式下存儲成本的一小部分。

總之，DNA也許是我們手頭上最緊湊、最持久、最普遍的存儲機(jī)制，將為我們提供前所未有的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用，甚至是計算。此時，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心模式下的硅基存儲將是低效的。隨著DNA數(shù)據(jù)存儲成本的下降和速度的提高，以及用戶能夠很容易地將文件、圖像甚至神經(jīng)活動保存到DNA中，新的商業(yè)機(jī)會將會出現(xiàn)。

這可能正是微軟公司計劃在2020年建立基于NDA的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的動力所在。在此背景下，公司將可以擁有自己的數(shù)據(jù)倉庫和本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以提高網(wǎng)絡(luò)安全性，尤其是重要檔案的安全性。由于DNA在沒有維護(hù)的情況下可以存續(xù)數(shù)千年，所以，你可以忘記復(fù)制數(shù)據(jù)庫和提供數(shù)字檔案的必要性。因為，不管技術(shù)如何進(jìn)步和變化，對于我們的后代，DNA將是可以長期讀取的。

但DNA存儲最令人興奮的應(yīng)用潛力是其便攜性。如果我們用硅二進(jìn)制介質(zhì)發(fā)送一艾字節(jié)（十億GB）的數(shù)據(jù)到火星，它可能需要耗用五艘重型獵鷹火箭，運送成本則可能高達(dá)4.86億美元。用DNA，我們只需要五立方厘米的空間，而太空殖民的方式可能會被改寫。在整個進(jìn)化過程中，DNA已經(jīng)解開了從人類到細(xì)菌的非凡可能性。在未來，DNA會被解鎖更多，包括在極小的空間容納無限的數(shù)據(jù)。