ДНК е твърдият диск на бъдещето

Човечеството е страхотно в създаването на неща, но има едно нещо, което нашият вид създава повече от почти всичко друго: информацията.

Още през 2013 г. проучване заключава, че 90 процента от всички данни в света са били генерирани през предходните две години, но това количество все още изглежда малко в сравнение с последните години. През 2017 г. бяха създадени 26 зетабайта (един зетабайт = един милиард терабайта) данни, което е повече от всичко, създадено през годините 2010-2013 взети заедно.

Според а доклад, публикуван през 2019 г, всеки ден споделяме 95 милиона снимки и видеоклипове в Instagram, публикуваме 500 милиона туита в Twitter и изпращаме 294 милиарда имейла. Въпреки че интернет може да изглежда ефирен, всички тези данни трябва да се съхраняват физически, на твърди дискове и сървъри по целия свят. Проблемът е, че тези традиционни носители за съхранение на данни вероятно не могат да се справят с очаквания поток от данни през следващото десетилетие.

Какво е решението? Твърдият диск на бъдещето всъщност може да бъде нещо много старо, нещо, което е във всеки човек, който чете това: ДНК.

Наръчник с инструкции на Nature

Дезоксирибонуклеиновата киселина или ДНК е молекулата, която диктува как се развива един организъм. Молекулата на ДНК съдържа четири азотни бази - аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C) - и последователността от тези бази формират инструкции за това как трябва да се развиват клетките, влияейки върху неща като цвят на косата и очите, височина и т.н На. ДНК по същество е ръководството с инструкции за изграждане на тяло.

ДНК също може да съдържа удивително количество информация: 215 петабайта (1 петабайт е около 100 милиона гигабайта) данни в един грам. Също толкова впечатляваща е неговата дълготрайност. Традиционните носители като магнитна лента и флаш памет са склонни да се влошават, независимо дали чрез многократна употреба или просто с времето. ДНК също се разгражда, но със значително по-бавна скорост: в зависимост от условията на съхранение, тя може да продължи хиляди или дори десетки хиляди години.

Следователно не е изненада, че изследователите виждат системата за съхранение на природата като съд за безмилостния поток от информация в света.

„Почти се завършва кръгът“, казва Hyunjun Park, главен изпълнителен директор на Catalog, компания, която изгражда платформа за съхранение на базата на ДНК. „Връщаме се към природата, за да получим вдъхновение да развием тази среда.“

Catalog е една от компаниите на кървящия ръб на тази технология, изграждайки базирана на ДНК платформа за съхранение, която може да поеме все по-големите файлове на 5G, ера с висока разделителна способност.

Чуден потенциал на кошмарна цена

Идеята за съхраняване на данни върху ДНК е предложена още през 60-те години от съветския учен Михаил Нейман. През десетилетията след това изследователите са направили големи крачки в това да го направят, но има значителни пречки.

„Тесното място, което пречи на тази технология да стане масова“, обяснява Парк, „беше фактът, че е наистина скъпо и бавно да се съхранява много информация.“

Според проучване, публикувано през 2018 г, най-рентабилната техника за съхранение на ДНК по онова време струваше около $3500 на MB за запис на данните и $1000 на MB за четенето им, така че не изтегляйте вашето SSD устройство още.

Catalog има за цел да намали разходите за съхранение на ДНК, като създаде нещо, което те сравняват с печатна преса, революционното устройство, което използва взаимозаменяеми блокове от букви, покрити с мастило, за бързо отпечатване страници.

„Начинът, по който се правеше преди“, обяснява Парк, е, че базите на ДНК –ATCG– могат да се използват за „представяне на всеки дълъг низ от 1s и 0s, защото това са данните, които се опитвате да напишете. Но проблемът с този подход е, че всяка базова двойка, която добавяте, има цена и отнема много време.

В метода на печатната преса на Catalog дървените блокове са „блокове от ДНК молекули, които ние предварително синтезирахме, но в големи количества. В света на ДНК“, обяснява той, „ако се опитвате да синтезирате големи количества само от няколко различни молекули – да речем, от порядъка на 100 – това е наистина евтино и лесно за изпълнение.

„Но ако се опитвате да синтезирате много малки количества от милион различни молекули“, продължава той, „това е наистина скъпо и бавно. Взимаме тези по-големи блокове, които сме направили в големи количества, и използваме принтера, който разработихме, за да ги подредим в различни комбинации и ги свързваме заедно, така че да получим това огромно разнообразие от различни молекули, които след това можем да припишем различни информация до.”

Изграждане на по-добър компютър чрез природата

Въпреки че възможностите за съхранение на ДНК са интригуващи, Парк също е развълнуван от потенциала му за изчисления. В продължение на години компютрите грубо следваха пътя, определен от закона на Мур, който гласеше, че на всеки две години можем да удвоим броя на транзисторите, които се побират в компютърен чип. Компютърните чипове обаче станаха толкова малки в наши дни, че е все по-малко вероятно да продължим да вмъкваме повече транзистори там. по същество, Законът на Мур е мъртъв, или поне в хоспис.

Нуждата на човечеството от все по-големи компютри обаче е оживена и затова изследователите се надпреварват да разработят нови видове компютри (квантови компютри, например). Базиран на ДНК компютър е една от възможностите.

„Смятаме, че след като имате данни в ДНК, можем да използваме ензими и други ДНК молекули, за да изчислим тези данни“, казва Парк, „и това е много ефективен, изключително паралелен начин за изчисление на тези данни. Няма да е за всички ежедневни приложения или всички изчислителни проблеми, а за набор от проблеми, които стават все по-важни за обществото, смятаме, че ДНК ще бъде чудесен начин за справяне то."

Парк казва, че ДНК компютрите биха били много подходящи за проблеми, при които имате огромно количество данни, но изчисленията, които трябва да направите, не са твърде сложни. Като пример той си представя сценарий, при който някой трябва да претърси екзабайти данни от преброяването.

„Искате да можете бързо да търсите във всичко това едновременно и да излезете с имената на хората които отговарят на определен набор от критерии като определена възрастова група или диапазон на доходите или географски регион“, той казва. „За да направите това в традиционен компютър, за да можете да прегледате всички екзабайти, които сте събирали в продължение на десетилетия, ще трябва да прочетете обратно магнитната лента който е стоял в студено хранилище... след това изчислете върху него в блокове, които се побират в паметта, и след това в блокове, които се побират в процесора, и направете това в сериен начин. Ако го имате в ДНК, обемът ще бъде наистина малък поради информационната плътност на ДНК, и така ще пуснете няколко сонди, които се свързват с характеристиката, която търсите за."

Революция на хоризонта

Така че кога трябва да се подготвите да изхвърлите сегашното си оборудване и да го замените с биоорганични компютърни части? Вероятно не скоро.

„Мисля, че в обозримо бъдеще“, казва Парк, „процесът на писане, при който конвертирате цифрови данни в ДНК, се случва в специализирани съоръжения.“ ДНК данни съоръженията ще съхраняват базирани на ДНК данни, до които хората имат достъп, както биха направили традиционен сървър, въпреки че той предполага, че хората могат да получат копия на данните си в тест тръби.

Засега съхранението и изчисленията, базирани на ДНК, вероятно няма да бъдат забележима част от ежедневието, но нещо, което може да окаже огромно влияние върху голямата картина на човечеството.