DNK je trdi disk prihodnosti

Človeštvo je odlično pri ustvarjanju stvari, vendar obstaja ena stvar, ki jo naša vrsta ustvari več kot skoraj karkoli drugega: informacije.

Davnega leta 2013 je študija ugotovila, da je bilo 90 odstotkov vseh svetovnih podatkov ustvarjenih v prejšnjih dveh letih, vendar se zdi ta količina še vedno majhna v primerjavi z zadnjimi leti. V letu 2017 je bilo ustvarjenih 26 zetabajtov (en zetabajt = milijarda terabajtov) podatkov, kar je več kot vse ustvarjeno v letih 2010–2013 skupaj.

Po mnenju a poročilo objavljeno leta 2019, vsak dan delimo 95 milijonov fotografij in videoposnetkov na Instagramu, objavimo 500 milijonov tvitov na Twitterju in pošljemo 294 milijard e-poštnih sporočil. Čeprav se internet morda zdi eteričen, morajo biti vsi ti podatki shranjeni fizično, na trdih diskih in strežnikih po vsem svetu. Težava je v tem, da ti tradicionalni mediji za shranjevanje podatkov verjetno ne morejo dohajati pričakovane poplave podatkov v prihodnjem desetletju.

Kakšna je rešitev? Trdi disk prihodnosti bi lahko bil pravzaprav nekaj zelo starega, nekaj, kar je v vsakem človeku, ki to bere: DNK.

Priročnik Nature's z navodili

Deoksiribonukleinska kislina ali DNK je molekula, ki narekuje, kako se organizem razvija. Molekula DNK vsebuje štiri dušikove baze - adenin (A), timin (T), gvanin (G) in citozin (C) - in zaporedje teh baz tvorijo navodila za razvoj celic, ki vplivajo na stvari, kot so barva las in oči, višina itd na. DNK je v bistvu priročnik z navodili za izgradnjo telesa.

DNK lahko vsebuje tudi osupljivo količino informacij: 215 petabajtov (1 petabajt je približno 100 milijonov gigabajtov) podatkov na en gram. Prav tako impresivna je njegova dolgoživost. Tradicionalni mediji, kot sta magnetni trak in bliskovni pomnilnik, se nagibajo k poslabšanju, bodisi zaradi ponavljajoče se uporabe bodisi preprosto zaradi časa. Tudi DNK se razgradi, vendar bistveno počasneje: odvisno od pogojev shranjevanja lahko traja več tisoč ali celo deset tisoč let.

Zato ni presenetljivo, da raziskovalci vidijo naravni sistem shranjevanja kot posodo za neusmiljeni svetovni tok informacij.

"Skoraj se bo končal krog," pravi Hyunjun Park, izvršni direktor podjetja Catalog, ki gradi platformo za shranjevanje na podlagi DNK. "Vrnili se bomo k naravi, da bi dobili navdih za razvoj tega medija."

Catalog je eno od podjetij na vrhuncu te tehnologije, ki gradi platformo za shranjevanje na osnovi DNK, ki lahko sprejme vse večje datoteke 5G, doba visoke ločljivosti.

Čudovit potencial po strašni ceni

Zamisel o shranjevanju podatkov na DNK je že v 60. letih predlagal sovjetski znanstvenik Mikhail Neiman. V desetletjih od takrat so raziskovalci naredili velike korake pri tem, da to dejansko počnejo, vendar so se pojavljale precejšnje ovire.

"Ozko grlo, ki preprečuje, da bi ta tehnologija postala mainstream," pojasnjuje Park, "je bilo dejstvo, da je zelo drago in počasno shranjevanje veliko informacij."

Po navedbah študija, objavljena leta 2018, stroškovno najučinkovitejša tehnika shranjevanja DNK v tistem času je stala približno 3500 USD na MB za zapisovanje podatkov in 1000 USD na MB za branje, zato še ne umaknite svojega pogona SSD.

Cilj kataloga je znižati stroške shranjevanja DNK z ustvarjanjem, kar primerjajo s tiskarskim strojem, revolucionarna naprava, ki je za hitro tiskanje uporabljala zamenljive bloke črk, premazane s črnilom strani.

»Prej se je to delalo,« pojasnjuje Park, da bi lahko baze DNK –ATCG– uporabili za »predstavitev katerega koli dolgega niza 1 in 0, ker so to podatki, ki jih poskušate napisati. Toda težava s tem pristopom je, da ima vsak osnovni par, ki ga dodajate, stroške in zamuden.«

Po metodi tiskarskega stroja Catalogue so leseni bloki »bloki molekul DNK, ki smo jih predhodno sintetizirali, vendar v velikih količinah. V svetu DNK,« pojasnjuje, »če poskušate sintetizirati velike količine samo nekaj različnih molekul – recimo, reda velikosti 100 – je to res poceni in enostavno.

»Če pa poskušate sintetizirati zelo majhne količine milijona različnih molekul,« nadaljuje, »je to res drago in počasno. Vzamemo te večje bloke, ki smo jih izdelali v velikih količinah, in uporabimo tiskalnik, ki smo ga razvili, da jih razporedimo v različne kombinacije in jih povežemo skupaj, tako da dobimo to ogromno različnih molekul, ki jim lahko nato pripišemo različne informacije za."

Izdelava boljšega računalnika skozi naravo

Medtem ko so zmogljivosti shranjevanja DNK zanimive, je Park navdušen tudi nad njenim potencialom za računalništvo. Računalniki so leta približno sledili poti, ki jo je določil Moorov zakon, ki pravi, da lahko vsaki dve leti podvojimo število tranzistorjev, ki se prilegajo računalniškemu čipu. Vendar so računalniški čipi v teh dneh postali tako majhni, da je vse manj verjetno, da bi lahko še naprej vanje stiskali več tranzistorjev. v bistvu, Moorov zakon je mrtev, ali vsaj v hospicu.

Potreba človeštva po vedno večjih računalnikih pa je živahna, zato raziskovalci tekmujejo, da bi razvili nove vrste računalnikov (kvantni računalniki, na primer). Ena od možnosti je računalnik, ki temelji na DNK.

»Menimo, da ko imamo podatke v DNK, lahko uporabimo encime in druge molekule DNK za računanje teh podatkov,« pravi Park, »in to je zelo učinkovit, izjemno vzporeden način za računanje teh podatkov. Ne bo za vse vsakodnevne aplikacije ali vse računalniške težave, ampak za niz problemov, ki postajajo vse bolj pomembni za družbo, menimo, da bo DNK odličen način za reševanje to."

Park pravi, da bi bili računalniki DNK zelo primerni za probleme, kjer imate ogromno podatkov, vendar izračuni, ki jih morate narediti, niso preveč zapleteni. Kot primer si predstavlja scenarij, ko mora nekdo prečesati eksabajte popisnih podatkov.

»Želiš imeti možnost hitrega iskanja po vsem tem hkrati in priti do imen ljudi ki izpolnjujejo določen nabor meril, kot je določena starostna skupina ali razpon dohodka ali geografska regija,« je dejal pravi. »Da bi to naredili v tradicionalnem računalniku, da bi lahko pregledali vse eksabajte, ki ste jih zbirali desetletja, bi morali prebrati nazaj magnetni trak ki je bil v hladnem skladišču … nato na njem računajte v blokih, ki se prilegajo pomnilniku, in nato v blokih, ki se prilegajo procesorski enoti, in to storite v serijski način. Če ga imate v DNK, bi bil obseg res majhen zaradi informacijske gostote DNK, in tako bi spustili nekaj sond, ki se vežejo na značilnost, ki jo iščete za.”

Revolucija na obzorju

Torej, kdaj se morate pripraviti, da zavržete trenutno opremo in jo nadomestite z bioorganskimi deli računalnika? Verjetno še ne kmalu.

"Mislim, da bo v bližnji prihodnosti," pravi Park, "proces pisanja, kjer digitalne podatke pretvorite v DNK, potekal v specializiranih obratih." DNK podatki objekti bodo hranili podatke, ki temeljijo na DNK, do katerih bodo lahko ljudje dostopali kot do tradicionalnega strežnika, čeprav predlaga, da bi ljudje lahko dobili kopije svojih podatkov v testu cevi.

Zaenkrat shranjevanje in računalništvo na podlagi DNK verjetno ne bosta opazen del vsakdanjega življenja, ampak nekaj, kar bi lahko močno vplivalo na širši pogled na človeštvo.