肖優(yōu)明

在剛剛過去的2017年，微軟研究院宣布了未來三年內(nèi)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部建立DNA（脫氧核糖核酸）數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的目標(biāo)，至少在精品應(yīng)用程序中存儲數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的最終尺寸將與20世紀(jì)70年代美國施樂復(fù)印機相當(dāng)。此外，微軟打算利用半導(dǎo)體合成遺傳材料對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，完善其DNA數(shù)據(jù)存儲和檢索系統(tǒng)。

一塊糖大小能裝下全球所有電影

用DNA這種生物材料來備份大量數(shù)據(jù)聽起來似乎有些奇怪，但其在極小空間中存儲大量信息的能力早在70多年前就已經(jīng)得到了證實。20世紀(jì)40年代，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤就曾提出了一個可裝入非重復(fù)結(jié)構(gòu)的遺傳性編碼腳本，他將這個非重復(fù)結(jié)構(gòu)稱作“非周期性晶體”。薛定諤是量子力學(xué)奠基人之一，因發(fā)展原子理論獲1933年諾貝爾物理學(xué)獎。

美國生物學(xué)家詹姆斯·沃森與弗朗西斯·克里克從薛定諤的理論得到啟發(fā)，在1953年4月25日《自然》雜志上發(fā)表的一篇研究論文里提出了DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，引發(fā)了生命科學(xué)的革命性發(fā)展，獲得1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

盡管核酸鏈在細(xì)胞中記錄信息已有數(shù)十億年歷史，但其在IT數(shù)據(jù)存儲中的作用直到五年前才得到證明。當(dāng)時哈佛大學(xué)的遺傳學(xué)家將他的著作包括其中的插圖編碼進(jìn)了不到5500萬條DNA中。該技術(shù)從此迅速發(fā)展起來，科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)能夠在1千克DNA中存儲多達(dá)2.15億GB的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲容量是云技術(shù)全球增長的驅(qū)動因素之一。DNA作為數(shù)據(jù)存儲的一種方法之所以有吸引力，在于具備了兩大優(yōu)勢。一是超大容量，作為全宇宙中最密集的存儲媒介，能解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息指數(shù)級增長的大難題。如果編碼正確，DNA可以比目前使用的存儲技術(shù)更緊湊地存儲數(shù)百萬次的信息。研究表明，1立方毫米DNA能存儲的數(shù)據(jù)高達(dá)1018字節(jié)，1克DNA能容納455EB（艾字節(jié)，1艾相當(dāng)于10億GB）數(shù)據(jù)，而5EB就相當(dāng)于至今全人類的所有講話。這樣一來，全世界所有電影可以被“濃縮到”糖塊大小的體積內(nèi)。

二是DNA存儲介質(zhì)經(jīng)久耐用，而磁帶和硬盤最多只能保存50年左右。如果脫水，DNA可以在幾個世紀(jì)以后可靠地保存信息，而不會發(fā)生閃存驅(qū)動器或硬盤驅(qū)動器硬件退化的風(fēng)險。許多研究人員從哺乳動物和古人類骨骼組織提取重建出基因，足以證明這些DNA幾乎能永久性存活。

改進(jìn)DNA合成效率取得突破性成果

DNA存儲系統(tǒng)進(jìn)入實用仍然面臨兩大障礙，首先是成本。以現(xiàn)有合成DNA鏈的水平，將數(shù)據(jù)字節(jié)轉(zhuǎn)換成DNA代碼（即組成DNA的4個堿基）費力費時，成本很高。在微軟一項涉及近1350萬個DNA片段的研究中，購買這些DNA就花了80萬美元。微軟曾表示，只有將現(xiàn)有成本減低至萬分之一，DNA存儲才能獲得廣泛應(yīng)用。

其次是將數(shù)據(jù)自動寫入DNA的水平還存在局限，有待提高。2016年7月，微軟研究院計算機設(shè)計師道格·卡米安和華盛頓大學(xué)計算機實驗室科學(xué)家路易斯·瑟茲攜手合作，成功利用DNA存儲技術(shù)保存了約200M數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括《戰(zhàn)爭與和平》等100部世界名著和音樂唱片等?？装餐扑?，因?qū)懭?00M數(shù)據(jù)用了好幾個星期，寫入速度只有400字節(jié)/秒，距離微軟設(shè)定的100兆字節(jié)/秒相差甚遠(yuǎn)。微軟表示，必須將存儲速度提高至100M/s，這項技術(shù)才有實用價值。

不少專家對微軟的目標(biāo)持懷疑態(tài)度，認(rèn)為即使能實現(xiàn)，DNA數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)也將僅局限于某些方面的使用，比如存儲法律文檔和醫(yī)療數(shù)據(jù)，難以取代當(dāng)前的主流存儲方案。然而微軟高級研究員卡琳·斯特勞斯博士表示，雖然在DNA成為主流數(shù)據(jù)存儲解決方案之前，必須克服許多挑戰(zhàn)，但初步結(jié)果令人鼓舞。隨著需求增加，一切皆有可能。他指出：“數(shù)據(jù)存儲的需求以驚人的速度增長，需要存儲大量數(shù)據(jù)的組織和消費者（例如醫(yī)療數(shù)據(jù)或個人視頻）將受益于新的長期存儲解決方案，我們相信DNA可以提供這個答案?！眅ndprint