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DNA存储器突破了理论极限,一部手机装下全世界的数据
作者:admin    发布于:2020-06-12 01:11   

科学家提出的扩展核酸存储器方案将存储密度提升数倍,达到惊人的每立方厘米630EB。一部手机的体积就能存储2020年全世界一年的数据,而2040年(10^24位,1YB)的预计存储需求能够放进100×100×10立方厘米的盒子中。

人类每天都在创造大量的数据。据IDC发布的报告,全球每年产生的数据将从2018年的33ZB增长到2025年的175ZB,相当于每天产生491EB的数据。

我们先了解一下数据单位1B(Byte 字节)=8b(bit 位)1KB(Kilobyte 千字节)=1024B1MB(Megabyte 兆字节)=1024KB1GB(Gigabyte 吉字节)=1024MB1TB(Trillionbyte太字节)=1024GB1PB(Petabyte拍字节)=1024TB1EB(Exabyte艾字节)=1024PB1ZB(Zettabyte泽字节)=1024EB1YB(Yottabyte尧字节)=1024ZB

今年一季度,存储服务商Backblaze回顾了自己的12万块硬盘的可靠性,三大品牌硬盘的综合年化故障率为1.07%。硬盘的理论寿命是3万小时以上,有些可能多至10多年,而有些可能不足1年。不管怎样,硬盘的寿命不够长。

我们使用以硅(从沙子中提炼出来)为主要元素制成的微芯片来收集、处理和存储数据。硅是地壳中第二丰富的元素,但用来生产高纯度硅的矿产却不是很多,只占硅总量的不足10%。

一项研究表明,到2040年,海量数据可能会耗尽全球计算机用硅。改进硅的提炼工艺是解决方案之一,但是面临成本问题。此外,其他替代材料,如氧化镓、二硒化铪、二硒化锆和石墨烯等,进展缓慢。

生物体利用核苷酸形成长链,也就是RNA和DNA,来编码和存储蛋白质信息。人类每一个细胞中都包含一份DNA,而这份DNA的数据量大概相当于3GB。

目前最先进的计算机硬盘的存储密度大约是每立方厘米1.25TB。而标准的DNA存储器在相同的体积的存储能力是硬盘的1百万倍,即1250000TB,或1250PB,1.25EB。一个小行李箱就能够存储全年的数据量。作为对比,2019年全年机械硬盘出货量是3.2亿块,固态硬盘2.4亿块。

DNA之所以有如此高的存储密度,部分原因是DNA有4个基本单位:核苷酸,分别是G,A,T和C(嘌呤,腺嘌呤,胸腺嘧啶和胞嘧啶),而计算系统目前使用的是基于0和1的二进制系统。进制的倍增能够使存储信息量呈“指数级增长”。

最近,印度科学家提出了一种新的编码方案,称为扩展核酸存储器(NAM),极大的提高了单位体积可存储容量,这可能是数据存储技术的未来。

加尔各答的Meghnad Saha理工学院的计算机专家添加了两对新的非标准核苷酸,分别是Ds-Px(thienylimidazopyridine和nitropropynylpyrrole)和Im-Na(imidazopyrimidine和naphthyridine)。

核苷酸总数量达到4对,扩展核酸存储器的存储密度将提高许多倍,每立方厘米超过630EB。一部手机的体积就能存储2020年全世界一年的数据,而2040年(10^24位,1YB)的预计存储需求能够放进100×100×10立方厘米的盒子中。

许多文章提到DNA存储理论上最大可以达到每克455EB,这实际上是不准确的。这个计算方法只计算DNA本身的重量,实际上一个存储系统需要其他读取和写入组件,这将显著降低存储密度。在本文的数据中,科学家假设扩展核酸存储器的存储密度大概相当于大肠杆菌的DNA数据密度。

耐用性:DNA 可保存很长时间 - 如果低温保存,可保存数百万年。相比之下,常用的长期存储介质 - 磁带,在使用10年后就必须被更换。

能耗:DNA存储器在存储、处理和读取过程中所需的能耗非常低。根据计算,DNA存储能耗仅为flash闪存的1/10000000~1/1000000000。

DNA读取和写入数据的速度慢于其他类型的存储技术。短期内用于高速存储设备是不现实的。DNA存储最有希望首先用于对速度要求不高的场合,比如替代用于长期存储数据的磁带设备。

成本是另一个重要问题。目前在实验室环境中,合成2MB数据的成本是7000美元,读取数据需要2000美元。

好消息是,DNA测序的费用正在持续大幅下降,从2002年的31250美元/兆碱基下降至2016年的63美分/兆碱基。目前多个研究团体正在发展基于DNA的数据存储技术。假以时日,这些难题将会得到解决。

如果硅消耗殆尽,可能会使世界陷入停滞。鉴于我们产生数据的增长速度,这是一个迫切需要解决的问题。DNA存储器也许就是未来的终极解决方案。

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