移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，全球覆蓋人群已經(jīng)突破40億大關(guān)，聊天軟件、短視頻、網(wǎng)購(gòu)、搜索引擎等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)每天產(chǎn)生著大量數(shù)據(jù)。隨著5G時(shí)代來(lái)臨，傳感器以及各種數(shù)字化終端設(shè)備的普及將會(huì)造就一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的世界，同時(shí)意味著新一輪數(shù)字洪流也將洶涌而來(lái)。
數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)時(shí)代，新興存儲(chǔ)技術(shù)迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇
根據(jù)國(guó)際機(jī)構(gòu)IDC預(yù)測(cè)，全球數(shù)據(jù)產(chǎn)生量將從2018年的33ZB（澤字節(jié)）快速增長(zhǎng)至2025年的175ZB，1ZB約相當(dāng)于10億TB（太字節(jié)）的數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)，屆時(shí)不僅將會(huì)對(duì)全球數(shù)據(jù)中心的建設(shè)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)發(fā)起挑戰(zhàn)。
按目前最大的單個(gè)硬盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量換算，全部存儲(chǔ)175ZB數(shù)據(jù)至少需要約120億個(gè)硬盤(pán)。根據(jù)IDEMA（國(guó)際磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器設(shè)備制造商協(xié)會(huì)）研究報(bào)告顯示，2018年全球固態(tài)硬盤(pán)出貨量約為1.7億片。
以目前數(shù)據(jù)的生成速度來(lái)看，到2040年全球?qū)⒅辽傩枰偃f(wàn)噸的硅基芯片才能存儲(chǔ)當(dāng)年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，不到100年的時(shí)間內(nèi)，現(xiàn)在所用的磁存儲(chǔ)系統(tǒng)或光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)就會(huì)達(dá)到容量上限。
因此，未來(lái)短期內(nèi)存儲(chǔ)硬盤(pán)將迎來(lái)快速增長(zhǎng)需求，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，全球數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，這就不得不造就可持續(xù)使用的存儲(chǔ)介質(zhì)和全新的存儲(chǔ)替代方案。
日前，億歐智庫(kù)最新發(fā)布了《2020技術(shù)趨勢(shì)報(bào)告》，通過(guò)技術(shù)篩選以及關(guān)鍵性指標(biāo)測(cè)評(píng)，將具有技術(shù)承接性、資源持續(xù)性和顛覆革新性的DNA存儲(chǔ)技術(shù)列為2020年之后的重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)，體積小、獲取方便，擁有極高密度的DNA存儲(chǔ)或?qū)⒊蔀閿?shù)據(jù)儲(chǔ)發(fā)展的未來(lái)。
DNA存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)初現(xiàn)，引領(lǐng)企業(yè)爭(zhēng)相角逐
DNA是磷酸基團(tuán)、多糖和四種堿基構(gòu)成的雙螺旋結(jié)構(gòu)大分子，四種基本堿基單元為A、T、C、G，通過(guò)堿基兩兩配對(duì)，構(gòu)成DNA雙鏈。DNA是生物信息保存最久的存在，也是已知最古老的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)，DNA的半衰期約為521年，即每過(guò)521年，構(gòu)成DNA骨架的核苷酸間的化學(xué)鍵才會(huì)有一半斷裂。
DNA存儲(chǔ)是利用4個(gè)堿基，以二進(jìn)制代碼形式對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行信息編碼，按堿基序列順序通過(guò)人工合成技術(shù)形成長(zhǎng)鏈DNA來(lái)保存數(shù)據(jù)。
同時(shí)，根據(jù)最新的研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)，每克DNA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度已經(jīng)達(dá)到215PB（約22萬(wàn)TB），理論上最大可以達(dá)到455EB（約4.7億TB），而且DNA作為存儲(chǔ)介質(zhì)，常溫條件下的儲(chǔ)存半衰期可以達(dá)到數(shù)千年之久。因此，存儲(chǔ)密度大、能耗低、存儲(chǔ)周期長(zhǎng)的DNA存儲(chǔ)便逐漸成為全球存儲(chǔ)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。
科技巨頭微軟公司是最早研究DNA存儲(chǔ)技術(shù)的公司之一，微軟一直以來(lái)都堅(jiān)信DNA是長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最佳介質(zhì)。2016年時(shí)，微軟便宣布從一家舊金山生物科技公司購(gòu)買(mǎi)1000萬(wàn)個(gè) DNA長(zhǎng)寡核苷酸分子，用以探索 DNA 分子存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法。2019年3月，微軟公司和華盛頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)完全自動(dòng)化的系統(tǒng)，用于編寫(xiě)、存儲(chǔ)和讀取DNA編碼的數(shù)據(jù)。
2019年6月，初創(chuàng)公司Catalog Technologies宣布已經(jīng)將16GB的英文維基百科數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DNA鏈上，使DNA存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)于簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)存檔需求用戶來(lái)說(shuō)成為現(xiàn)實(shí)。除此之外，包括Evonetix、Molecular Assemblies、DNA Script等初創(chuàng)企業(yè)也在加速DNA存儲(chǔ)研發(fā)的探索。
核心技術(shù)原理探索，方法與性能并進(jìn)
從技術(shù)原理來(lái)看，完整的DNA存儲(chǔ)包括編碼寫(xiě)入部分、存放部分和解碼讀取部分。編碼寫(xiě)入由DNA編碼和人工合成DNA組成，解碼讀取部分即DNA測(cè)序解碼讀取，而想要實(shí)現(xiàn)成熟的DNA存儲(chǔ)應(yīng)用，DNA編碼技術(shù)和讀取技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
DNA編碼過(guò)程包含壓縮、糾錯(cuò)和轉(zhuǎn)換三個(gè)部分。其中壓縮方法經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不斷的發(fā)展，形成了以哈夫曼編碼、噴泉碼為代表的多種壓縮方法；糾錯(cuò)方面，漢明碼糾錯(cuò)、RS碼糾錯(cuò)等糾錯(cuò)方式的出現(xiàn)提高了數(shù)據(jù)編碼和讀取的準(zhǔn)確性；DNA編碼轉(zhuǎn)換由最初的二進(jìn)制模型發(fā)展演變成三進(jìn)制和四進(jìn)制共存的三種常見(jiàn)轉(zhuǎn)換模型。
2012年，美國(guó)哈佛大學(xué)教授Church采用二進(jìn)制進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將659kB信息存入DNA中，使DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量的紀(jì)錄提高了1000倍，此后，DNA存儲(chǔ)技術(shù)便進(jìn)入了新的快速發(fā)展期。2013年，Goldman等人利用哈夫曼編碼、四倍重疊法、三進(jìn)制編碼等，將739kB的內(nèi)容存入DNA中；2017年，Erlich等人基于噴泉碼壓縮技術(shù)，將6個(gè)文件存入了DNA中，該技術(shù)只引入了20.71%的冗余，大大降低了DNA存儲(chǔ)的成本。
2018年，愛(ài)爾蘭沃特福德理工學(xué)院（WIT）研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型DNA存儲(chǔ)方法，可在1克大腸桿菌DNA中存儲(chǔ)1ZB的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)積累，DNA存儲(chǔ)的方法形式與性能不斷得到進(jìn)步提升。
DNA存儲(chǔ)價(jià)值曙光初現(xiàn)，應(yīng)用挑戰(zhàn)仍有待突破
目前，DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀取主要通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)序法實(shí)現(xiàn)，微軟研究院與華盛頓大學(xué)研究人員測(cè)試了一種隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)的方案，但是這種方案定位依然不夠精確，而且效率很低。除此之外，通過(guò)納米孔進(jìn)行測(cè)序的數(shù)據(jù)讀取技術(shù)還處于研發(fā)階段，但作為新興的第四代測(cè)序技術(shù)，納米孔測(cè)序讀取或許將成為讀取技術(shù)新的突破。
2019年12月，哥倫比亞大學(xué)聯(lián)合蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印制作了一只兔子，并將這只兔子的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以雙鏈 DNA 結(jié)構(gòu)形式內(nèi)置在打印材料中，實(shí)現(xiàn)了其自身數(shù)據(jù)的DNA存儲(chǔ)和傳遞。這項(xiàng)研究的最大突破在于證實(shí)了萬(wàn)物皆可實(shí)現(xiàn) DNA 存儲(chǔ)的理論，且不受任何形狀限制，這也使得DNA存儲(chǔ)的商業(yè)價(jià)值曙光進(jìn)一步顯現(xiàn)。
從技術(shù)發(fā)展成熟度來(lái)看，DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還面臨著較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要集中體現(xiàn)在人工合成成本高、合成速度慢、數(shù)據(jù)讀取時(shí)間長(zhǎng)、準(zhǔn)確性低等方面。如目前DNA合成成本約為0.05-0.1美元一個(gè)堿基，合成存儲(chǔ)200MB的數(shù)據(jù)需要耗資上百萬(wàn)美元，時(shí)間花費(fèi)至少兩周左右。所以，如果可以使得DNA合成讀取成本通過(guò)技術(shù)發(fā)展大幅得到改善的話，DNA存儲(chǔ)的應(yīng)用將會(huì)非常可觀。
DNA存儲(chǔ)對(duì)于一些不常用卻需要長(zhǎng)期保存信息的應(yīng)用場(chǎng)景極為適用，如政府文件、病人臨床信息、研究數(shù)據(jù)、歷史檔案、視頻資料等。其次，DNA存儲(chǔ)作為一種全新的存儲(chǔ)方式，或?qū)⒊蔀檐娛骂I(lǐng)域、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域等特殊加密用途的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)手段，并且在人工智能應(yīng)用前端及云存儲(chǔ)方面，也將發(fā)揮獨(dú)特的存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)。
雖然DNA擁有可持續(xù)獲取的天然優(yōu)勢(shì)，但如何使得DNA存儲(chǔ)達(dá)到現(xiàn)有硬盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的效率和便捷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展和顛覆變革，還需大量的理論研究與技術(shù)探索。作為人類(lèi)未來(lái)的無(wú)限存儲(chǔ)方式，DNA存儲(chǔ)技術(shù)將會(huì)伴隨人類(lèi)的前進(jìn)腳步共同發(fā)展。
