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 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
簡單來說，DNA 存儲原理就是將 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?？茖W(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 存儲的能耗則遠遠小于硬盤存儲能耗，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 50 年代提出，DNA 的數(shù)據(jù)存儲研究的進展一直緩慢，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 年開始進行相關(guān)研究，直到 2019 年才有研發(fā)進展，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了許多。
佐治亞理工學(xué)院 (GTRI) 近期也公布了新進展，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。
目前改進常見的思路是從存儲設(shè)備的硬件層面進行考量，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 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)全面地進行治療，改善病患的健康情況，甚至促進壽命的增加。
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)，這個終極的存儲進化值得我們?nèi)パ芯颗c等待。
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