ДНК — жорсткий диск майбутнього

Людство чудово вміє створювати речі, але є одна річ, яку наш вид створює більше, ніж будь-що інше: інформацію.

У далекому 2013 році дослідження дійшло висновку, що 90 відсотків усіх даних у світі було згенеровано за попередні два роки, але ця кількість все ще виглядає невеликою порівняно з останніми роками. У 2017 році було створено 26 зетабайт (один зетабайт = мільярд терабайт) даних, що більше, ніж усе, створене за 2010-2013 роки разом узяті.

За словами а звіт, опублікований у 2019 році, щодня ми публікуємо 95 мільйонів фотографій і відео в Instagram, публікуємо 500 мільйонів твітів у Twitter і надсилаємо 294 мільярди електронних листів. Хоча Інтернет може здатися ефірним, усі ці дані потрібно зберігати фізично, на жорстких дисках і серверах по всьому світу. Проблема в тому, що ці традиційні засоби зберігання даних, ймовірно, не зможуть впоратися з очікуваним потоком даних протягом наступного десятиліття.

Яке рішення? Жорсткий диск майбутнього насправді може бути чимось дуже старим, чимось, що є всередині кожної людини, яка читає це: ДНК.

Посібник природи

Дезоксирибонуклеїнова кислота, або ДНК, є молекулою, яка визначає, як розвивається організм. Молекула ДНК містить чотири азотисті основи — аденін (А), тимін (Т), гуанін (Г) і цитозин (Ц) — і послідовність з цих основ утворюють інструкції щодо того, як мають розвиватися клітини, впливаючи на такі речі, як колір волосся та очей, зріст тощо на. ДНК — це, по суті, інструкція з побудови тіла.

ДНК також може містити приголомшливу кількість інформації: 215 петабайт (1 петабайт становить приблизно 100 мільйонів гігабайт) даних в одному грамі. Так само вражає його довголіття. Традиційні носії інформації, такі як магнітна стрічка та флеш-пам’ять, мають тенденцію до погіршення якості через багаторазове використання чи просто через час. ДНК також розкладається, але значно повільніше: залежно від умов зберігання вона може зберігатися тисячі або навіть десятки тисяч років.

Тож не дивно, що дослідники розглядають природну систему зберігання як посудину для невпинного світового потоку інформації.

«Це майже повне коло», — каже Хюнджун Парк, генеральний директор компанії Catalog, яка створює платформу для зберігання даних на основі ДНК. «Ми повертаємося до природи, щоб отримати натхнення для розробки цього засобу».

Catalog є однією з компаній, які працюють над цією технологією, будуючи платформу зберігання даних на основі ДНК, яка може вмістити все більші файли 5G, ера високої чіткості.

Дивовижний потенціал за кошмарною ціною

Ідея зберігання даних на ДНК була запропонована ще в 60-х роках радянським ученим Михайлом Німаном. За десятиліття, що минули з тих пір, дослідники досягли значних успіхів у цьому, однак виникли значні перешкоди.

«Вузьким місцем, яке заважало цій технології стати широкомасштабним, — пояснює Пак, — був той факт, що зберігати багато інформації дуже дорого й повільно».

Відповідно до дослідження, опубліковане в 2018 році, найбільш економічно ефективна техніка зберігання ДНК на той час коштувала приблизно 3500 доларів США за МБ для запису даних і 1000 доларів США за МБ для їх читання, тож поки не виходьте з експлуатації твердотільний накопичувач.

Catalog має на меті знизити вартість зберігання ДНК, створивши те, що вони порівнюють із друкарським верстатом, революційний пристрій, який використовував змінні блоки літер, покриті чорнилом, для швидкого друку сторінки.

«Раніше це робили», — пояснює Пак, — основи ДНК (ATCG) можна було використовувати для «представлення будь-якого довгого рядка з одиниць і 0, тому що це дані, які ви намагаєтеся записати. Але проблема з таким підходом полягає в тому, що кожна пара основ, яку ви додаєте, має вартість і займає багато часу».

У методі друкарської машини Catalog дерев’яні блоки — це «блоки молекул ДНК, які ми попередньо синтезували, але у великих кількостях. У світі ДНК, — пояснює він, — якщо ви намагаєтеся синтезувати велику кількість лише кількох різних молекул — скажімо, близько 100 — це справді дешево та легко зробити.

«Але якщо ви намагаєтеся синтезувати дуже малі кількості мільйона різних молекул, — продовжує він, — це справді дорого й повільно. Ми беремо ці більші блоки, які виготовили у великих кількостях, і ми використовуємо розроблений нами принтер, щоб розташувати їх у різні комбінації та з’єднуємо їх разом, щоб отримати величезну різноманітність різних молекул, яким потім можна приписати різні інформація до».

Природа створює кращий комп’ютер

Хоча можливості зберігання ДНК інтригують, Парк також в захваті від її потенціалу для обчислень. Роками комп’ютери приблизно дотримувалися закону Мура, який стверджував, що приблизно кожні два роки ми можемо подвоїти кількість транзисторів, які вміщуються на комп’ютерному чіпі. Однак сьогодні комп’ютерні чіпи стали настільки малими, що стає все менш імовірним, що ми зможемо продовжувати вставляти туди більше транзисторів. По суті, Закон Мура мертвий, або принаймні в хоспісі.

Однак потреба людства у ще більших комп’ютерах є жвавою, тому дослідники поспішають розробити нові види комп’ютерів (квантові комп'ютери, наприклад). Комп’ютер на основі ДНК є однією з можливостей.

«Ми вважаємо, що коли у вас є дані в ДНК, ми можемо використовувати ферменти та інші молекули ДНК для обчислення цих даних, — каже Парк, — і це дуже ефективний, надзвичайно паралельний спосіб обчислення цих даних. Це не буде для всіх повсякденних програм або всіх обчислювальних проблем, а для набору проблеми, які стають дедалі важливішими для суспільства, ми вважаємо, що ДНК стане чудовим способом їх вирішення це».

Пак каже, що ДНК-комп’ютери добре підходять для вирішення проблем, коли у вас є величезна кількість даних, але обчислення, які вам потрібно зробити, не надто складні. Як приклад, він уявляє собі сценарій, коли комусь потрібно прочесати ексабайти даних перепису населення.

«Ви хочете мати можливість швидко шукати все це одночасно та знаходити імена людей які відповідають певному набору критеріїв, наприклад, певному віковому діапазону, діапазону доходів або географічному регіону», – сказав він каже. «Для того, щоб зробити це на традиційному комп’ютері, щоб мати можливість переглянути всі екзабайти, які ви збирали десятиліттями, вам доведеться прочитати магнітну стрічку. який знаходився в холодному сховищі... потім обчислюйте на ньому в блоках, які вписуються в пам’ять, а потім у блоках, які вписуються в блок обробки, і робіть це в послідовному спосіб. Якщо у вас є це в ДНК, обсяг буде справді малим через інформаційну щільність ДНК, і тому ви вставите кілька зондів, які прив’язуються до характеристики, яку ви шукаєте для».

Революція на горизонті

Отже, коли вам варто підготуватися до того, щоб викинути поточне обладнання та замінити його біоорганічними комп’ютерними деталями? Напевно, не найближчим часом.

«Я думаю, що в осяжному майбутньому, — каже Пак, — процес написання, у якому ви перетворюєте цифрові дані в ДНК, відбуватиметься на спеціалізованих установах». дані ДНК об'єкти будуть зберігати дані на основі ДНК, до яких люди матимуть доступ, як і до традиційного сервера, хоча він припускає, що люди можуть отримати копії своїх даних під час тестування трубки.

Наразі зберігання та обчислення на основі ДНК навряд чи будуть помітною частиною повсякденного життя, але це може мати величезний вплив на загальну картину людства.