微軟黑科技：DNA存儲(chǔ)技術(shù)催生方糖大小的數(shù)據(jù)中心
2016-04-12 14:25:39 n北京時(shí)間4月12日消息，據(jù)科技網(wǎng)站Computerworld報(bào)道，微軟和華盛頓大學(xué)研究人員已經(jīng)展示了利用人工合成DNA作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的技術(shù)。研究人員表示，如果這一技術(shù)成熟到適合主流應(yīng)用，裝備當(dāng)今存儲(chǔ)密度最高的存儲(chǔ)設(shè)備、沃爾瑪超市般大小的數(shù)據(jù)中心，就可能“瘦身”到一塊方糖大小，“我們認(rèn)為，考慮把DNA作為存儲(chǔ)介質(zhì)，探索相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟”。
DNA存儲(chǔ)密度驚人
研究團(tuán)隊(duì)成功地將4個(gè)圖片文件的數(shù)據(jù)編碼為人工合成DNA片段的核苷酸序列。更重要的是，他們能實(shí)現(xiàn)逆過(guò)程——從更大的DNA池中取回正確的核苷酸序列，重建圖像，而且沒(méi)有丟失1個(gè)字節(jié)的信息。另一項(xiàng)試驗(yàn)涉及對(duì)視頻文件的編碼和讀取。
DNA存儲(chǔ)技術(shù)
華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)副教授、論文共同作者路易斯·塞茲(Luis Ceze)在一份聲明中說(shuō)，“生命產(chǎn)生了神奇的DNA，它能高效地存儲(chǔ)與基因和生命活動(dòng)有關(guān)的所有信息，而且非常緊湊，非常‘耐用’。我們將把DNA用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)——圖像、視頻、文檔，保存時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)百或數(shù)千年。”
DNA存儲(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展神速
對(duì)DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的研究進(jìn)展神速。1999年，研究人員利用DNA存儲(chǔ)技術(shù)編碼和恢復(fù)了一條長(zhǎng)23個(gè)字母的信息。到2013年，歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室-歐洲生物信息學(xué)研究所的科學(xué)家，把美國(guó)黑人運(yùn)動(dòng)領(lǐng)袖馬丁·路德·金(Martin Luther King)《我有一個(gè)夢(mèng)想》演講的mp3文件編碼在DNA中。
研究人員在發(fā)表在《自然》上的論文中稱，這種編碼方法使得約一杯DNA能存儲(chǔ)至少1億小時(shí)的高清視頻。
據(jù)英國(guó)研究人員稱，存儲(chǔ)在DNA鏈中的數(shù)據(jù)能保存數(shù)萬(wàn)年。
在DNA存儲(chǔ)技術(shù)中，讀取DNA相對(duì)簡(jiǎn)單，主要障礙在于寫DNA。DNA存儲(chǔ)技術(shù)存在兩個(gè)難點(diǎn)：其一，目前的方法只能合成短鏈DNA；其二，寫和讀DNA都容易出錯(cuò)。
微軟和華盛頓大學(xué)研究人員稱，他們已經(jīng)開發(fā)了“一種新穎的方法”，把數(shù)據(jù)中的“1”和“0”字符串轉(zhuǎn)換成DNA序列中的4種堿基——腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。
為了訪問(wèn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，研究人員在DNA序列中編碼了相當(dāng)于郵政編碼和街道地址的尋址信息。聚合酶鏈反應(yīng)(以下簡(jiǎn)稱“PCR”)技術(shù)幫助研究人員更輕松地識(shí)別他們需要查找的“郵政編碼”。
研究人員然后利用DNA測(cè)序技術(shù)，“讀取”數(shù)據(jù)，并通過(guò)利用“街道地址”對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來(lái)的視頻、圖像或文檔。
研究人員表示，“DNA是一種有吸引力的潛在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)”，理論上其存儲(chǔ)密度比磁帶高出8個(gè)量級(jí)，一個(gè)可以拿在手里的磁帶盒存儲(chǔ)容量高達(dá)185TB。
微軟和華盛頓大學(xué)研究人員也證實(shí)了人工合成DNA的“長(zhǎng)壽”，稱即使在惡劣環(huán)境中其半衰期也超過(guò)500年，磁帶保存時(shí)間為10-30年，硬盤為3-5年。
還不夠完美
美國(guó)研究人員強(qiáng)調(diào)了提高存儲(chǔ)密度的緊迫性。市場(chǎng)研究公司IDC和存儲(chǔ)設(shè)備廠商EMC在《The Digital Universe》研究論文中稱，到2020年，包含在全球計(jì)算機(jī)、歷史檔案、電影、照片、企業(yè)系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)量將達(dá)到44萬(wàn)億GB，“是2013年的10倍。盡管并非所有信息都需要保存，但世界生成數(shù)據(jù)的速度快于存儲(chǔ)容量的增長(zhǎng)”。
要進(jìn)入商用階段，DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)還有一些問(wèn)題需要解決。首先是DNA合成和測(cè)序還遠(yuǎn)不夠完美，DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分是開發(fā)一種適當(dāng)?shù)木幋a技術(shù)，通過(guò)增加冗余度提高容錯(cuò)能力。
其次，DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)中隨機(jī)存取數(shù)據(jù)還是個(gè)問(wèn)題，讀取延遲遠(yuǎn)長(zhǎng)于寫入延遲。目前的技術(shù)只能批量讀取數(shù)據(jù)，即使只從存儲(chǔ)系統(tǒng)中訪問(wèn)一個(gè)字節(jié)的信息，系統(tǒng)也必須對(duì)整個(gè)DNA池進(jìn)行測(cè)序和解碼。
把數(shù)據(jù)編碼為DNA序列
研究人員已經(jīng)提出了改進(jìn)隨機(jī)數(shù)據(jù)存取的方法，即利用PCR只擴(kuò)增希望讀取的數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)的DNA序列測(cè)序。這種方法既能提高數(shù)據(jù)讀取速度，也無(wú)需對(duì)整個(gè)DNA池進(jìn)行測(cè)序。
塞茲稱，“這是我們?cè)跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)方面向大自然學(xué)習(xí)的一個(gè)范例。”
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