【51CTO.com快譯】

• DNA存儲——延續(xù)千年的承載介質(zhì)。

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微軟與華盛頓大學(xué)的研究員們已經(jīng)演示相關(guān)方案，旨在利用合成DNA作為數(shù)據(jù)歸檔存儲介質(zhì)。

如果這項技術(shù)足夠強大，則完全可以將沃爾瑪這樣的巨型企業(yè)的全部數(shù)據(jù)存儲設(shè)備縮小為一塊方糖尺寸，研究員們指出。

“我們認為時機已經(jīng)成熟，基于DNA的存儲方案已經(jīng)具備可行性，且能夠立足于此設(shè)計并架構(gòu)相關(guān)系統(tǒng)，”研究員們在其論文中寫道。

該研究團隊已經(jīng)成功將來自四幅圖片的數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲在合成DNA片段當(dāng)中。更重要的是，他們亦能夠逆轉(zhuǎn)該過程——即從較大DNA池中檢索正確序列，并利用提取到的完整字節(jié)重構(gòu)圖像。

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華盛頓大學(xué)計算機科學(xué)與工程研究科學(xué)家們混合DNA樣本以實現(xiàn)存儲功能。每條DNA中存儲一個數(shù)字化文件。

另一項實驗則證明，華盛頓大學(xué)的“盧旺達法庭之聲”項目能夠編碼并檢索數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)視頻文件歸檔。該項目共使用49段視頻，分別來自盧旺達戰(zhàn)爭罪法庭中對法官、律師以及其他相關(guān)人員的訪談。

“生命造就了DNA這一夢幻般的分子，其能夠有效存儲各類基因信息以及生命系統(tǒng)的運作方式——其非常緊湊且極為耐用，”威斯康星大學(xué)計算機科學(xué)與工程副教授、研究論文聯(lián)合作者Luis Ceze表示。

“我們基本上就是在利用DNA存儲數(shù)字化數(shù)據(jù)——包括圖片、視頻、文檔，且其管理周期能夠長達數(shù)百甚至數(shù)千年，”他補充稱。

DNA數(shù)據(jù)存儲研究進展神速。1999年，DNA存儲方案還僅僅只能編碼并恢復(fù)長度為23個字節(jié)的信息。

到2013年，來自英國EMBL歐洲生物信息學(xué)研究院的科學(xué)家們已經(jīng)能夠?qū)ⅠR丁·路德·金的“我有一個夢想”演講MP3文件存儲在DNA當(dāng)中。

研究員們在《自然》雜志上發(fā)表的論文中指出，只需一杯DNA即可存儲至少長達1億小時的高清視頻數(shù)據(jù)。

而且根據(jù)英國研究員們的解釋，存儲在DNA鏈中的數(shù)據(jù)可以持續(xù)數(shù)萬年之久。

讀取DNA的方式非常簡單，但向其中寫入?yún)s難度很大。這方面共存在兩項挑戰(zhàn)：其一，利用現(xiàn)代方案僅能制造短DNA序列;其二，DNA在寫入與讀取時容易出錯，特別是在重復(fù)相同的DNA字母時。

以上三幅圖片為此次DNA數(shù)據(jù)存儲實驗中的對象。

微軟與華盛頓大學(xué)的研究員們指出，他們開發(fā)出了“一種新型方案”，能夠?qū)㈤L字符串轉(zhuǎn)換為DNA序列的四種基本組成部分——腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶與胸腺嘧啶，分別簡寫為A、G、C與T。

要訪問這些數(shù)據(jù)，研究員們在DNA序列內(nèi)編制出類似于郵編及街道地址的符號。聚合酶鏈反應(yīng)(簡稱PCR)技術(shù)——常用于分子生物學(xué)當(dāng)中——幫助他們能夠更為輕松地識別自己正在搜索的郵編。

利用DNA測序技術(shù)，研究人員得以“讀取”數(shù)據(jù)，并利用街道地址重新排序數(shù)據(jù)以將其恢復(fù)為視頻、圖片或者文檔。

“將1和0轉(zhuǎn)換為A、G、C和T非常重要，因為只有采用非常精妙的實現(xiàn)方式，我們才能提高存儲密度并降低錯誤率，”論文聯(lián)合作者Georg Seelig解釋稱。

微軟與華盛頓大學(xué)的研究員們宣稱，他們已經(jīng)在編程語言與操作系統(tǒng)架構(gòu)支持ACM國際大會上公布了研究成果。

“DNA擁有可觀的發(fā)展?jié)摿Γ?rdquo;研究員們表示，因為其存儲密度極高，理論極限比磁帶高出八個量級。磁帶技術(shù)能夠在巴掌大的卡帶中存儲最高185 TB數(shù)據(jù)。

微軟與華盛頓大學(xué)的研究員們還證實了合成DNA的長效性，稱其能夠在惡劣環(huán)境中帶來超過500年的半衰期。相比之下，磁帶壽命為10到30年，而磁盤驅(qū)動器則僅為3到5年——研究員們指出。

研究員們還強調(diào)稱，預(yù)計到2020年存儲于計算機中的全部數(shù)據(jù)——包括歸檔、視頻、圖片、企業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及移動設(shè)備信息——將達到44萬億GB，這一數(shù)字來自IDC與EMC的研究報告。

“這相當(dāng)于2013年全部數(shù)據(jù)總量的十倍。雖然并非全部信息都需要進行長期保存，但可以肯定的是數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的增長速度完全跟不上數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速度。”

不過在投入商業(yè)使用之前，DNA存儲系統(tǒng)還需要克服一系列難題。首先，DNA合成與測序的效果還遠稱不上完美，每核苷酸中仍存在1%的排序錯誤率。因此，DNA存儲需要設(shè)計出合適的編碼方案，從而帶來額外的容錯能力。

再有，DNA存儲不擅長實現(xiàn)隨機數(shù)據(jù)存取，這意味著整體而言讀取延遲遠高于寫入延遲。目前的進展只能夠?qū)崿F(xiàn)大型數(shù)據(jù)塊存取;即使僅讀取單個字節(jié)，也必須對整套DNA庫進行測序與解碼。

科學(xué)家們已經(jīng)提出了對應(yīng)的解決方案，即利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(簡稱PCR)對需要的數(shù)據(jù)進行定向放大，從而通過針對性測序改善隨機接入能力。如此一來，我們將不再需要對整套DNA庫進行測序。

“這是我們借用大自然產(chǎn)物的絕對實例，”Ceze解釋稱。“但我們也在使用現(xiàn)有計算機技術(shù)對其加以完善，例如如何糾正內(nèi)存錯誤，并讓最終成果回歸自然。”

原文標(biāo)題：Scientists could use DNA to shrink a data center into a sugar cube