ДНК — жесткий диск будущего

Человечество великолепно умеет создавать вещи, но есть одна вещь, которую наш вид создает больше, чем что-либо еще: информация.

Еще в 2013 году исследование пришло к выводу, что 90 процентов всех мировых данных были созданы за предыдущие два года, и тем не менее это количество все еще кажется небольшим по сравнению с прошлыми годами. В 2017 году было создано 26 зеттабайт (один зеттабайт = миллиард терабайт) данных, что больше, чем все созданное за 2010–2013 годы вместе взятые.

Согласно отчет опубликован в 2019 году, каждый день мы делимся 95 миллионами фотографий и видео в Instagram, публикуем 500 миллионов твитов в Twitter и отправляем 294 миллиарда электронных писем. Хотя Интернет может показаться нереальным, все эти данные должны храниться физически, на жестких дисках и серверах по всему миру. Проблема в том, что эти традиционные средства хранения данных, вероятно, не смогут справиться с ожидаемым потоком данных в ближайшее десятилетие.

Какое решение? Жесткий диск будущего на самом деле может оказаться чем-то очень старым, чем-то, что есть внутри каждого человека, читающего это: ДНК.

Инструкция природы

Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, — это молекула, которая определяет, как развивается организм. Молекула ДНК содержит четыре азотистых основания — аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С) — и последовательность Из этих основ формируются инструкции о том, как должны развиваться клетки, влияя на такие вещи, как цвет волос и глаз, рост и т. д. на. ДНК — это, по сути, инструкция по построению тела.

ДНК также может хранить ошеломляющее количество информации: 215 петабайт (1 петабайт — это около 100 миллионов гигабайт) данных в одном грамме. Не менее впечатляет и его долговечность. Традиционные носители, такие как магнитная лента и флэш-память, имеют тенденцию деградировать либо из-за многократного использования, либо просто со временем. ДНК тоже деградирует, но значительно медленнее: в зависимости от условий хранения она может сохраняться тысячи или даже десятки тысяч лет.

Поэтому неудивительно, что исследователи рассматривают природную систему хранения как сосуд для неустанного мирового потока информации.

«Это почти полный круг», — говорит Хёнджун Пак, генеральный директор Catalog, компании, создающей платформу для хранения данных на основе ДНК. «Мы возвращаемся к природе, чтобы получить вдохновение для разработки этой среды».

Каталог — одна из компаний, находящихся на переднем крае этой технологии, создающая платформу хранения на основе ДНК, которая может хранить все более большие файлы 5G, эпоха высокой четкости.

Удивительный потенциал по кошмарной цене

Идею хранения данных в ДНК предложил еще в 60-е годы советский учёный Михаил Нейман. За прошедшие десятилетия исследователи добились больших успехов в этом, однако столкнулись с серьезными препятствиями.

«Узким местом, которое не дает этой технологии стать массовым», — объясняет Пак, — «был тот факт, что хранить большой объем информации очень дорого и медленно».

В соответствии с исследование, опубликованное в 2018 году, наиболее экономичный метод хранения ДНК на тот момент стоил около 3500 долларов за МБ для записи данных и 1000 долларов за МБ для их чтения, так что пока не выводите из эксплуатации свой твердотельный накопитель.

Целью каталога является снижение стоимости хранения ДНК путем создания того, что можно сравнить с печатным станком. революционное устройство, в котором для быстрой печати использовались сменные блоки букв, покрытые чернилами. страницы.

«Раньше это делалось так, — объясняет Парк, — что основания ДНК — ATCG — можно использовать для «представления любой длинной строки из единиц и нулей, потому что это те данные, которые вы пытаетесь записать. Но проблема этого подхода в том, что каждая добавляемая пара оснований имеет свою стоимость и отнимает много времени».

В методе печатной машины «Каталога» деревянные блоки представляют собой «блоки молекул ДНК, которые мы предварительно синтезировали, но в больших количествах». В мире ДНК, — объясняет он, — если вы пытаетесь синтезировать большие количества всего лишь нескольких разных молекул — скажем, порядка 100 — это действительно дешево и легко сделать.

«Но если вы пытаетесь синтезировать очень небольшие количества миллиона различных молекул, — продолжает он, — это действительно дорого и медленно. Мы берем эти более крупные блоки, которые мы сделали в больших количествах, и используем разработанный нами принтер, чтобы упорядочить их. различные комбинации и соединяем их вместе, так что мы получаем это огромное разнообразие различных молекул, которым мы затем можем приписать разные информацию».

Создание лучшего компьютера с помощью природы

Хотя возможности хранения ДНК интригуют, Пак также воодушевлен ее потенциалом для вычислений. В течение многих лет компьютеры примерно следовали пути, установленному законом Мура, который гласил, что каждые два года или около того мы можем удваивать количество транзисторов, помещающихся на компьютерном чипе. Однако в наши дни компьютерные чипы стали настолько маленькими, что маловероятно, что мы сможем продолжать втискивать туда больше транзисторов. По сути, Закон Мура умерили хотя бы в хосписе.

Однако потребность человечества во все более совершенных компьютерах острая, и поэтому исследователи спешат разработать новые виды компьютеров (квантовые компьютеры, например). Компьютер на основе ДНК — одна из возможностей.

«Мы думаем, что как только у вас появятся данные в ДНК, мы сможем использовать ферменты и другие молекулы ДНК для вычислений на основе этих данных», — говорит Парк, — «и это очень эффективный, чрезвычайно параллельный способ вычислений на основе этих данных. Это будет не для всех повседневных приложений или всех вычислительных задач, а для набора проблемы, которые становятся все более важными для общества, мы думаем, что ДНК станет отличным способом решения это."

Парк говорит, что ДНК-компьютеры хорошо подходят для решения задач, в которых имеется огромное количество данных, но необходимые вычисления не слишком сложны. В качестве примера он представляет сценарий, в котором кому-то необходимо прочесать эксабайты данных переписи населения.

«Вы хотите иметь возможность быстро искать во всем этом одновременно и находить имена людей. которые соответствуют определенному набору критериев, например, определенному возрастному диапазону, диапазону доходов или географическому региону», — он говорит. «Чтобы сделать это в традиционном компьютере, чтобы иметь возможность просмотреть все эксабайты, которые вы накопили за десятилетия, вам придется прочитать магнитную ленту оно хранилось в холодном хранилище... затем вычисляйте его в блоках, которые помещаются в память, а затем в блоках, которые помещаются в процессор, и делайте это в последовательном режиме. образом. Если бы это было в ДНК, то объём был бы очень мал из-за плотности информации в ДНК. и поэтому вы должны добавить несколько зондов, которые связаны с характеристикой, которую вы ищете для."

Революция на горизонте

Так когда же вам следует подготовиться к тому, чтобы выбросить свое нынешнее оборудование и заменить его биоорганическими компьютерными деталями? Вероятно, не в ближайшее время.

«Я думаю, что в обозримом будущем, — говорит Пак, — процесс записи, в ходе которого цифровые данные преобразуются в ДНК, будет происходить в специализированных учреждениях». данные ДНК на объектах будут храниться данные на основе ДНК, к которым люди смогут получить доступ, как к традиционному серверу, хотя он предполагает, что люди могут получить копии своих данных в ходе тестирования. трубки.

На данный момент хранение и вычисления на основе ДНК вряд ли станут заметной частью повседневной жизни, но могут оказать огромное влияние на общую картину человечества.