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DNA 将取代传统硬盘?微软在DNA数据储存技术方面取得重大突破

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随着5G、物联网和人工智能的快速发展,人类每天会创造出250多万GB大小的数据。如今,全球每年所产生的数据量都呈现非常惊人的指数级增长,据世界网路资料中心(IDC)预测,到2025 年,全球数字资料存储量将达到175ZB,而若要将175ZB 的数据储存到容量为1TB 的硬盘中,则大约需要1750 亿个1TB的硬盘(1TB相当于约1000GB,我们日常使用的智能手机的储存空间大约在128-256GB)。长此以往,人类很快就会面临“储存能力赶不上数据产生的速度”的棘手难题。在寻找未来数据的储存方式中,以DNA 作为数字信息存储介质有望成为最有潜力的解决方案之一。近日,美国微软研究院与华盛顿大学分子系统实验室(Molecular Information Systems Laboratory,MISL),在“将DNA 作为数据储存介质的研究中取得一些突破与进展”,今天小编就来给大家科普科普这方面的知识吧!

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图上为硅基储存介质 图下为DNA数字信息存储介质

DNA 数据存储设备的原理

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图为中国东南大学师生团队研发的 DNA 储存电极

众所周知,现在的数据存储硬盘是使用电脑运算位元0 与1 来储存数据,而DNA 储存信息则使用4 个化学碱基:腺嘌呤(adenine,A)、鸟嘌呤(guanine,G)、胞嘧啶(cytosine,C)和胸腺嘧啶(thymine,T)。科学家将电脑运算位元的0 与1 对比基因中的腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C) 和胸腺嘧啶(T) 四种化学碱基。依照00 代表A、01 代表G、10 是C、11 是T 的方式将数据存入DNA。DNA 数据存储设备的原理就是通过技术手段将0 与1 转换成DNA中的4 个化学碱基(A 、G 、C 、T)储存复杂的数据。

DNA 数据存储设备的基本运行过程

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DNA数据存储系统流程图

编码——将数字信息编码为DNA 序列;

合成——将序列写入实际的DNA 分子;

储存——将合成的DNA 片段储存在载体或细胞中;

访问——检索和选择性读取序列资讯;

解码——将测定的序列资讯转换回数字资讯。


DNA 信息存储设备的优势

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600部智能手机中的影音资料,可以全都存进图中铅笔笔芯所指的粉红色DNA中

(来源:美国华盛顿大学网站)


DNA 作为数字信息存储介质的密度和耐用性明显优于现有的硅基存储介质;DNA 的储存密度比当今最紧凑的固态硬盘驱动器至少高 1000 倍,比最稳定的磁带耐用度至少高300倍。此外,DNA 的四字母核氨酸代码(A 、G 、C 、T)提供了一个合适的编码环境,它可以像计算机和其他电子设备使用的二进制数字代码一样,利用这些核氨酸来表示任何字母、数字或其他字符。此外,DNA 信息存储设备储存数据后能放在不同容器,譬如胶囊、药丸、玻璃珠等。

DNA信息存储设备目前存在的问题


尽管DNA 信息存储设备有很多优点,但是到目前为止DNA还是没有成为一种广泛的信息存储介质,因为以目前的技术,化学合成 DNA的成本仍然高得令人望而却步,现在每 1 兆字节DNA信息存储设备的价格是3,500 美元。

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DNA链的生成设备 图片来源:哈佛大学威斯研究所

目前,科学家正在开发一种新的基于酶的方法用于生产更长的DNA链,相比传统的化学技术可以更快、更简单地编写DNA,同时生成过程中产生的污染对环境的毒性更小。

现在,微软已经推出了奈米级DNA 储存写入器,接下来微软的重点研究工作是在DNA信息存储设备中嵌入数位逻辑芯片,让数百万电极点,能以每秒储存数KB 资料的速度写入DNA 之中。

随着全世界数据中心越来越多,如何提高资料储存效率,利用最小的空间,存储更多的数据,一直是数据储存领域研究重点。DNA 储存技术或许在未来能为数据储存领域带来革命性的变化。结果究竟如何,让我们拭目以待吧!

本文系郑州市第二届科普征文大赛投稿入选作品

作者:张炫


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