存儲新圖譜：DNA存儲的邊界與天地

數(shù)字信息時代，無論是生產(chǎn)數(shù)據(jù)的各大視頻網(wǎng)站、應(yīng)用平臺等，還是消費者們使用的各類電子設(shè)備，都無不在時時刻刻產(chǎn)生數(shù)據(jù)。

拿自動駕駛舉例來說，平均每輛自動駕駛車每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量高達(dá)10TB。根據(jù)IDC機構(gòu)的預(yù)測，2020年到2025年間，全球生成的數(shù)據(jù)(包括新數(shù)據(jù)和副本數(shù)據(jù))量預(yù)計復(fù)合年增長率為23%，到2025年達(dá)到180ZB，每天幾乎產(chǎn)生490EB的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)也成為繼土地、勞動力、資本、技術(shù)之后的第五種生產(chǎn)要素，所有基于數(shù)據(jù)的挖掘和增值都離不開存儲。存儲成為數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，其存儲方式也隨著數(shù)據(jù)量的激增與需求不斷發(fā)生變化。在信息與技術(shù)的不斷發(fā)展演進(jìn)中，存儲開始面臨不少的挑戰(zhàn)。

存儲設(shè)備、介質(zhì)（磁性材料和半導(dǎo)體材料）隨時間的老化與更新不及時，存儲維護(hù)成本高，存儲密度的局限以及能源功耗大等。這些現(xiàn)實的困境驅(qū)動業(yè)界開始尋找更好的替代方案，滿足不斷增高的性能、低功耗、穩(wěn)定性等需求。

DNA存儲成為基礎(chǔ)的新存儲技術(shù)被作為優(yōu)先的研究方向，以解決數(shù)據(jù)存儲中存在的負(fù)荷與問題。我們經(jīng)常會在新聞中看到，考古學(xué)家通過什么DNA測定，了解到幾百年、幾千年的信息。據(jù)悉，在合適的條件下，DNA可以持續(xù)存在數(shù)十萬年，甚至幾百萬年。

不考慮DNA的其他存儲特性，僅僅憑借著恒久的保存時間，我們的數(shù)據(jù)也有可能成為和“化石”一樣的存在，這個特性就十分值得我們長久地下功夫去研究與投資。當(dāng)然，DNA存儲的優(yōu)勢不止如此。

存儲效率的千倍提升

DNA存儲簡單來說，原理就是將DNA分子中的堿基序列與存儲信息編碼一一對應(yīng)，將文字、圖片、聲音等信息轉(zhuǎn)化為DNA序列進(jìn)行存儲。這是一門需要多學(xué)科交叉的高精尖技術(shù)，涉及生物、計算機、化學(xué)等學(xué)科。

在生物分子中儲存信息，非常復(fù)雜。科學(xué)家們將目光與精力投入到DNA存儲的領(lǐng)域，最根本的原因是看重其極高的存儲密度特性。據(jù)悉，1克DNA即可儲存215PB的信息，而硬盤的存儲量不過幾TB。要知道，1PB=1024TB=1024X1024GB，按照高清電影每部10GB算，1克DNA能夠存儲2.2億部電影。與此同時DNA存儲的維護(hù)成本也相較數(shù)據(jù)中心低很多。在能耗方面，1GB的數(shù)據(jù)硬盤存儲能耗約為0.04W，而DNA存儲的能耗則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硬盤存儲能耗，可忽略不計。

在數(shù)據(jù)量日漸激增的信息時代，高存儲密度，低成本維護(hù)與低能耗儲存信息的方式，使得科研機構(gòu)與資本都將精力與金錢押碼在這個可能成為未來主流存儲方式。不過雖然有資金與科研的投入，但其進(jìn)展仍較為緩慢。我們能在公開渠道中看到的成果都是實驗室的最佳成績。例如2012年，哈佛大學(xué)研究人員用DNA儲存了一本五萬字的圖書。歐洲生物信息研究所在DNA儲存了莎士比亞的十四行詩以及馬丁·路德·金的演講《我有一個夢想》的錄音帶。

從上世紀(jì)50年代提出，DNA的數(shù)據(jù)存儲研究的進(jìn)展一直緩慢，沒有什么較為重大的變化。不過在近兩年，DNA存儲的技術(shù)開始有了一些新的進(jìn)展。近日微軟研究院對外宣稱，研究出新的分子控制器，使得DNA的存儲寫入的速度相較以往提高了1000倍。微軟研究院作為DNA數(shù)據(jù)存儲的早期入局者，2015年開始進(jìn)行相關(guān)研究，直到2019年才有研發(fā)進(jìn)展，到如今速率千倍的升級，還是著實下了一番功夫。

與此同時，國內(nèi)的東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程的劉宏團隊也實現(xiàn)了DNA存儲的新突破：立足自主開發(fā)實現(xiàn)了DNA合成與測序環(huán)節(jié)的一體化，儀器設(shè)備也實現(xiàn)了小型化。DNA存儲在國外的技術(shù)路線大都是存儲的合成與測序環(huán)節(jié)分開進(jìn)行，需要大型的儀器設(shè)備，操作也相對復(fù)雜一些。劉宏團隊將儀器設(shè)備等朝著便攜式改進(jìn)了許多。

佐治亞理工學(xué)院(GTRI)近期也公布了新進(jìn)展，他們的團隊設(shè)計了一種微芯片，可以顯著提高以DNA形式寫入數(shù)據(jù)的速度。該團隊預(yù)計將比當(dāng)前的DNA存儲技術(shù)提高100倍。

研究機構(gòu)的各種進(jìn)展也使得嗅覺靈敏的投資機構(gòu)風(fēng)聞而來，中科碳元（深圳）、密碼子（杭州）等創(chuàng)業(yè)公司獲得數(shù)千萬的天使輪融資。

而政策方面，DNA存儲已經(jīng)成為國家層面部署的重點發(fā)展方向。國家“十四五”規(guī)劃中提到要加快布局量子計算、量子通訊、神經(jīng)芯片、DNA存儲等前沿技術(shù)。我們可以看到，DNA存儲在政策、資本與技術(shù)的集中發(fā)力中開始蓄勢待發(fā)，不過對于這類高精尖的技術(shù)來說，距離其真正的商業(yè)化落地進(jìn)程還尚早。

難以突破的結(jié)構(gòu)性障礙

雖然DNA存儲具有較為明顯突出的優(yōu)勢，政策、資本等也在全方位的支持，應(yīng)用的前景廣闊，但商業(yè)化的進(jìn)展仍然十分緩慢。其最大屏障來自于其存儲技術(shù)本身。

為了便于理解DNA存儲的面臨的技術(shù)困境，我們簡單介紹一下DNA存儲數(shù)據(jù)的過程。主要分為以下五個步驟：編碼——將數(shù)字信息編碼為DNA序列；合成——將序列融入實際的DNA分子；存儲——將合成的DNA片段保存在載體或細(xì)胞中；訪問——檢索和選擇性讀取序列信息；解碼——將測定的序列信息轉(zhuǎn)換回數(shù)字信息。

在整個存儲的過程中，編碼與合成是DNA存儲中較為關(guān)鍵和困難的環(huán)節(jié)。尤其是DNA的合成過程最為艱辛，在堿基序列融入DNA分子的過程中，很容易隨機損失掉合成的DNA。

而編碼是DNA存儲中成本與難度較大的環(huán)節(jié)，不過隨著AI、納米微孔等技術(shù)的發(fā)展，編碼環(huán)節(jié)的難度與成本都開始逐漸降低。

DNA存儲的合成過程使得數(shù)據(jù)輸入和讀取的效率無法提上去，花費的時間較長、成本較高。據(jù)佐治亞理工學(xué)院2021年12月披露的信息稱，DNA存儲速度提升到了每天寫入20GB數(shù)據(jù)，這是目前已知DNA存儲最快的寫入速度，而目前固態(tài)硬盤的讀寫速度最快大約為每秒500MB。

成本方面，2017年哥倫比亞大學(xué)的實驗顯示，合成2MB的DNA數(shù)據(jù)需要7000美元，而讀取數(shù)據(jù)需要2000美元，如果用戶需要以DNA形式儲存1GB的電影，編碼大約需要花費358萬美元，而讀取數(shù)據(jù)還需要102萬美元。DNA存儲技術(shù)的讀寫速度與成本，大大制約了其規(guī)模商業(yè)化的發(fā)展。

另外一個較大的影響因素跟科研人才相關(guān)，由于DNA存儲技術(shù)領(lǐng)域的強學(xué)科交叉性，必須依靠計算機、生物、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多個相關(guān)學(xué)科的協(xié)同，這也就對科研人才的復(fù)合能力水平要求較高。

當(dāng)然除了技術(shù)的進(jìn)階、人才的需求以外，存儲的便攜式要求也是其較為重要的發(fā)展方向需求。對于這類高精尖技術(shù)的設(shè)備，傳統(tǒng)的設(shè)備都較為笨重，便攜式的優(yōu)化也困難重重?？偟膩碚f，DNA存儲的各個環(huán)節(jié)都有較多的難關(guān)需要克服，DNA存儲真正意義上的走入商業(yè)市場，進(jìn)一步發(fā)展成為主流的存儲設(shè)備，還需要長時間的沉淀，才能讓DNA存儲技術(shù)有實質(zhì)的進(jìn)階。

終極存儲：深空與亙古

對于數(shù)據(jù)的存儲來說，多元化、智能化、綠色化是其主要的發(fā)展風(fēng)向標(biāo)，尤其是綠色的數(shù)據(jù)中心是主推的發(fā)展方向。

據(jù)研究機構(gòu)預(yù)測，若能源利用效率得不到持續(xù)提高，數(shù)據(jù)存儲用電量到2030年可能增長到全球用電總量的3%至13%。數(shù)據(jù)存儲的能源功耗令人擔(dān)憂，降低能耗將成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的首要目標(biāo)，存儲設(shè)備作為數(shù)據(jù)中心中最為耗能的設(shè)備，成為革新的排頭兵。

目前改進(jìn)常見的思路是從存儲設(shè)備的硬件層面進(jìn)行考量，如架構(gòu)設(shè)計、芯片、硬盤介質(zhì)等。而DNA存儲可謂是存儲的終極進(jìn)化方向。據(jù)悉，麻省理工學(xué)院生物工程教授MarkBathe稱，理論上，一個裝滿DNA的咖啡杯就可以存儲世界上所有的數(shù)據(jù)。如果未來可以實現(xiàn)，DNA存儲一定會革新存儲領(lǐng)域的格局。

在生物科技領(lǐng)域，近年來因為人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，一些生物科技和人工智能交融的方面，例如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測、新藥的研發(fā)、制備都有了質(zhì)的飛躍。DNA存儲在AI技術(shù)的加持下，其編碼的環(huán)節(jié)效率也獲得了極大地提升。未來隨著納米技術(shù)與AI技術(shù)的加持，DNA存儲的技術(shù)也會一步步解除智識的限制禁錮，逐步升級，為存儲領(lǐng)域帶來質(zhì)的飛躍。

當(dāng)然DNA存儲除了數(shù)據(jù)的存儲外，也有一些新應(yīng)用方向的可能。比如，可以把個人健康歷史數(shù)據(jù)存儲進(jìn)DNA，這種存儲方法與人體更兼容，醫(yī)生可以隨時的調(diào)用參考這些病例數(shù)據(jù)，更加精準(zhǔn)全面地進(jìn)行治療，改善病患的健康情況，甚至促進(jìn)壽命的增加。

未來人類深空宇航飛行的時候，可以用DNA存儲信息，只要制備適宜的保存條件，這些訊息就會留存，向宇宙深處傳播；也可能存在這種情形，新人類在考古的時候，發(fā)掘出我們存儲在DNA的彩蛋，DNA的數(shù)據(jù)展開是一部先輩留存的文明與技術(shù)訊息，訴說著我們的輝煌與經(jīng)驗，感覺有種終極的浪漫。我們最后要留下什么傳承，如何實現(xiàn)這個技術(shù)，這個終極的存儲進(jìn)化值得我們?nèi)パ芯颗c等待。