DNA to dysk twardy przyszłości

Ludzkość jest świetna w tworzeniu rzeczy, ale jest jedna rzecz, której nasz gatunek tworzy więcej niż cokolwiek innego: informacja.

Badanie z 2013 roku wykazało, że 90 procent wszystkich danych na świecie zostało wygenerowanych w ciągu ostatnich dwóch lat, a mimo to ilość ta nadal wydaje się niewielka w porównaniu z ostatnimi latami. W 2017 roku utworzono 26 zettabajtów (jeden zettabajt = miliard terabajtów) danych, czyli więcej niż wszystko, co powstało w latach 2010-2013 razem wzięte.

Według raport opublikowany w 2019 rokukażdego dnia udostępniamy 95 milionów zdjęć i filmów na Instagramie, publikujemy 500 milionów tweetów na Twitterze i wysyłamy 294 miliardy e-maili. Chociaż Internet może wydawać się ulotny, wszystkie te dane muszą być przechowywane fizycznie, na dyskach twardych i serwerach na całym świecie. Problem w tym, że te tradycyjne nośniki danych prawdopodobnie nie są w stanie nadążyć za spodziewanym zalewem danych w nadchodzącej dekadzie.

Jakie jest rozwiązanie? Dysk twardy przyszłości może być czymś bardzo starym, czymś, co znajduje się w środku każdej osoby, która to czyta: DNA.

Instrukcja obsługi natury

Kwas dezoksyrybonukleinowy, czyli DNA, to cząsteczka decydująca o rozwoju organizmu. Cząsteczka DNA zawiera cztery zasady azotowe — adeninę (A), tyminę (T), guaninę (G) i cytozynę (C) — oraz sekwencję z tych zasad tworzą instrukcje dotyczące rozwoju komórek, wpływając na takie rzeczy, jak kolor włosów i oczu, wzrost itp NA. DNA jest w zasadzie instrukcją budowy ciała.

DNA może również pomieścić oszałamiającą ilość informacji: 215 petabajtów (1 petabajt to około 100 milionów gigabajtów) danych w jednym gramie. Równie imponująca jest jego trwałość. Tradycyjne nośniki, takie jak taśma magnetyczna i pamięć flash, mają tendencję do niszczenia w wyniku wielokrotnego użycia lub po prostu czasu. DNA również ulega degradacji, ale w znacznie wolniejszym tempie: w zależności od warunków przechowywania może przetrwać tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy lat.

Nic więc dziwnego, że badacze postrzegają system przechowywania danych w naturze jako zbiornik nieustannego strumienia informacji z całego świata.

„To prawie zatacza koło” – mówi Hyunjun Park, dyrektor generalny Catalog, firmy budującej platformę do przechowywania danych w oparciu o DNA. „Wracamy do natury, aby zaczerpnąć inspiracji do opracowania tego medium”.

Catalog to jedna z firm najnowocześniejszych w tej technologii, tworząca platformę pamięci masowej opartą na DNA, która może pomieścić coraz większe pliki 5G, era wysokiej rozdzielczości.

Cudowny potencjał za koszmarną cenę

Pomysł przechowywania danych w DNA zaproponował już w latach 60. XX wieku radziecki naukowiec Michaił Neiman. W ciągu kilkudziesięciu lat badacze poczynili ogromne postępy w tym zakresie, napotkali jednak znaczące przeszkody.

„Wąskim gardłem, które powstrzymywało tę technologię przed wejściem do głównego nurtu” – wyjaśnia Park – „był fakt, że przechowywanie wielu informacji jest naprawdę drogie i powolne”.

Według badanie opublikowane w 2018 roku, wówczas najtańsza technika przechowywania DNA kosztowała około 3500 dolarów za MB za zapis danych i 1000 dolarów za MB za ich odczytanie, więc nie wycofuj jeszcze dysku SSD.

Katalog ma na celu obniżenie kosztów przechowywania DNA poprzez stworzenie czegoś, co można porównać do prasy drukarskiej, rewolucyjne urządzenie, które wykorzystywało wymienne bloki liter powlekane tuszem do szybkiego drukowania strony.

„Wcześniej robiono to” – wyjaśnia Park, w ten sposób, że podstawy DNA – ATCG – można wykorzystać do „reprezentowania dowolnego długiego ciągu jedynek i zer, ponieważ to są dane, które próbujesz zapisać. Problem z tym podejściem polega jednak na tym, że każda dodawana para zasad jest kosztowna i czasochłonna.

W metodzie prasy drukarskiej Catalog bloki drewna to „bloki cząsteczek DNA, które wstępnie zsyntetyzowaliśmy, ale w dużych ilościach. W świecie DNA” – wyjaśnia – „jeśli próbujesz zsyntetyzować duże ilości zaledwie kilku różnych cząsteczek – powiedzmy rzędu 100 – jest to naprawdę tanie i łatwe do wykonania.

„Ale jeśli próbujesz zsyntetyzować bardzo małe ilości miliona różnych cząsteczek” – kontynuuje – „jest to naprawdę kosztowne i powolne. Bierzemy te większe bloki, które zrobiliśmy w dużych ilościach i używamy opracowanej przez nas drukarki, aby je ułożyć różne kombinacje i łączyć je ze sobą, tak aby otrzymać ogromną różnorodność różnych cząsteczek, które możemy następnie przypisać jako różne informacje do.”

Budowa lepszego komputera dzięki naturze

Chociaż możliwości przechowywania DNA są intrygujące, Park jest również podekscytowany jego potencjałem obliczeniowym. Przez lata komputery z grubsza podążały ścieżką wytyczoną przez prawo Moore’a, które stanowiło, że mniej więcej co dwa lata możemy podwoić liczbę tranzystorów mieszczących się w chipie komputerowym. Jednakże chipy komputerowe stały się obecnie tak małe, że coraz mniej prawdopodobne jest, że uda nam się wcisnąć w nie więcej tranzystorów. Głównie, Prawo Moore’a umarłoalbo przynajmniej w hospicjum.

Jednakże zapotrzebowanie ludzkości na coraz większe komputery jest duże, dlatego badacze ścigają się, aby opracować nowe rodzaje komputerów (komputery kwantowe, Na przykład). Jedną z możliwości jest komputer oparty na DNA.

„Uważamy, że gdy już mamy dane w DNA, możemy użyć enzymów i innych cząsteczek DNA do obliczeń na tych danych” – mówi Park – „jest to bardzo wydajny i niezwykle równoległy sposób wykonywania obliczeń na tych danych. Nie będzie to dotyczyło wszystkich codziennych zastosowań ani wszystkich problemów obliczeniowych, ale zestawu problemów, które stają się coraz ważniejsze dla społeczeństwa, uważamy, że DNA będzie świetnym rozwiązaniem To."

Park twierdzi, że komputery DNA dobrze nadawałyby się do rozwiązywania problemów, w których dostępna jest ogromna ilość danych, ale obliczenia, które należy wykonać, nie są zbyt skomplikowane. Jako przykład wyobraża sobie scenariusz, w którym ktoś musi przeczesać eksabajty danych ze spisu ludności.

„Chcesz mieć możliwość szybkiego przeszukiwania tego wszystkiego jednocześnie i znajdowania nazwisk osób które spełniają określony zestaw kryteriów, takich jak określony przedział wiekowy, zakres dochodów lub region geograficzny” – dodał mówi. „Aby to zrobić na tradycyjnym komputerze, aby móc przejrzeć wszystkie eksabajty, które gromadziło się przez dziesięciolecia, trzeba by ponownie odczytać taśmę magnetyczną który znajdował się w chłodni… następnie wykonaj obliczenia w blokach mieszczących się w pamięci, a następnie w blokach mieszczących się w jednostce przetwarzającej i wykonaj to szeregowo sposób. Jeśli masz to w DNA, objętość będzie naprawdę mała ze względu na gęstość informacji w DNA, więc wrzucisz kilka sond, które wiążą się z cechą, której szukasz Do."

Rewolucja na horyzoncie

Kiedy więc powinieneś przygotować się do wyrzucenia obecnego sprzętu i zastąpienia go bioorganicznymi częściami komputerowymi? Prawdopodobnie nie w najbliższym czasie.

„Myślę, że w najbliższej przyszłości” – mówi Park – „proces pisania, podczas którego przekształcasz dane cyfrowe w DNA, będzie odbywał się w wyspecjalizowanych placówkach”. Dane DNA obiekty będą przechowywać dane oparte na DNA, do których ludzie będą mieli dostęp jak do tradycyjnego serwera, chociaż sugeruje, że ludzie mogliby uzyskać kopie swoich danych w ramach testów rurki.

Na razie przechowywanie i przetwarzanie danych w oparciu o DNA prawdopodobnie nie będą zauważalną częścią życia codziennego, ale czymś, co może mieć ogromny wpływ na szerszy obraz ludzkości.