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DNA存储将为安防提供廉价存储方案

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OFweek安防网讯 安防大数据时代下,前端视频越发高清,海量数据成倍增长,如何保证海量数据安全存储的同时,降低存储系统的维护难度、并提升应用价值等问题扑面而来,传统的单台设备独立存储模式已经无法满足实际需求,安防存储正在向大容量、超融合、虚拟化、云存储方向发展。

  美国《科学》杂志近日发布的一项研究显示,一克DNA的储存容量相当于约20万台电脑!具体容量约为200 PB(20万兆)。这是因为DNA具有密度大、稳固耐用的特点。专家指出,当今时代信息爆炸,只要解决了成本问题,那么DNA储存技术的市场空间将无可限量。

  DNA存储技术:并非首创

  其实DNA储存技术早已有人在做了。2012年,哈佛大学研究人员用DNA储存了一本五万字的图书。欧洲生物信息研究所(European Bioinformatics Institute )也在DNA储存了莎士比亚的十四行诗以及马丁·路德·金的演讲《我有一个梦想》的录音带。

  突破性进展:存储效率大幅提升

  尽管不是首创,但是,这项DNA存储技术目前迎来了重大突破。研究员Erlich是该研究报告的作者之一,他表示:这是因为运用了一种编码技术,能让DNA存储效率提升60%,还能有效减小DNA存储过程中的出错率。他在美国哥伦比亚大学担任计算机科学系教授,同时也是纽约基因组中心(New York Genome Center)的核心成员。

  “把数据输入DNA只需要不到一秒钟。DNA说白了只不过是四种核苷酸(nucleotides)排列组合的结果。我们只需要把这些核苷酸和数据一一对应。”

  研究员Erlich说,一旦掌握了编码方法,或者找到了符合编排或数据输入要求的DNA,那接下来的工作就很轻松了。这是因为,可以由企业来负责DNA的实际制造过程。

  独特魅力

  “这么做,是为了激发人们的想象力吗?没错!就是想让人们感受到科学有趣的一面!”

  DNA具有密度大、稳定性高的优势,因此DNA储存技术仍然比新兴的同类技术更让科学家着迷。研究员Kosuri说:“DNA储存技术所涉及的难度,相当于把单个原子放在一个物体表面。” 他指的是IBM公司,该公司曾在1989成功用35个氙原子拼出了“IBM”的字样。

  他说:“排列原子也不是不可能的事,但必须要运用极高的成像技术,在接近于绝对零度的真空状态下才能完成。这就涉及到核心技术了。相比之下,我们的DNA技术要比它更实用,虽然在存储方面肯定没有软盘或U盘那么实用。”

  DNA还可以储存3D影像。虽然全息存储(holography memory)和赛道储存(racetrack memory )技术也可以做到,但是研究员Kosuri说,DNA技术能储存的密度比它们要高得多。

  克服技术难点

  但是,DNA的合成过程是非常艰辛的。研究员Kosuri表示:“难就难在,DNA合成过程中,约有5%的时间,会损失掉随机合成的一个DNA。而且,不仅合成困难,就连读取DNA也是一个问题。如果有一种编码技术能够避免这种损失,那么DNA存储技术就会变得简单得多,也利索得多。”

  美国《科学》杂志发布的这项研究,的确实现了这种编码技术。研究员Kosuri表示,这项技术可以让DNA合成过程中出现的失误容易让人接受。这要归功于一种特殊的编码技术,而用这项技术传送数字信息,通常能够适应连接中断的情况发生,比如在智能手机上播放Youtube视频。Erlich表示,这就意味着,这种编码技术能够处理那些比研究中使用的DNA质量低得多的DNA。

  研究员Kosuri没有参与该项研究,但他是上述2012年哈佛大学研究报告的第一作者,如今是加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)的一名生物化学教授。

  苏黎世联邦理工学院化学工程师Grass也参与了这项研究,他表示,研究团队成功地在DNA中存储并且恢复了一个操作系统,是个“优雅的成就”。他还说:“我每天都在‘使用’DNA,所以我明白这项工程必须要万无一失。” Erlich表示,他们是故意把那个操作系统放进DNA的。”如果不把文件完美地恢复,那么就可能会损毁某些内容。但我们就是要证明我们不怕把这种可能会损毁的内容放进DNA。”

  Kosuri也同意这种方法十分高效:“我认为他们采用了正确的实验测试算法。他们选对了算法,而且看起来很奏效。”

成本巨大

在化学工程师Grass看来,合成DNA的成本比编排DNA的成本还要大。他说:“虽然编排DNA的成本太高,无法实际应用,不过现在有了纳米微孔 (nanopore) 插入计算机进行DNA编排的技术,所以它的成本越来越小了。但是,合成DNA的成本仍然十分之高。”

  研究员Kosuri也表示:“DNA储存技术规模化应用的唯一阻碍就是,它的成本实在是太高了。关于编码、编码的工作方式以及这种编码是否可靠等种种问题,我们的研究报告都一一解答了。但是,唯独成本问题,是我们目前解决不了的。”

  Grass认为,要想让DNA能够储存信息长达数百年之久,就必须要采用另外一些手段把DNA固定住。他解释道,基因物质可以在动物骨头和动植物化石中固定保存,但是自由DNA却不一样,具有不稳定性。如果把它放在实验室,一年以后里面的信息就会开始损毁了。

  前景:依然明朗

  研究员Kosuri已经不再从事DNA储存技术研究,但是他本人对这项技术的发展还是持乐观态度。他说:“上百万倍的成本听起来很吓人,但是在过去的15年,我们已经把成本缩小为原来的上百万分之一了。现在,不仅仅是编排DNA,就连合成DNA的成本也已经有所下降。”

  研究员Erlich憧憬在未来,有人可以发明一种“专门用于DNA存储的工序,方便我们快速合成劣质DNA”,从而减少成本。他说:“我们可以质量参差不齐的DNA先提取出来,然后再根据编码方式来逐步对其进行纠正。这是我们未来的研究方向”

  目前的研究是一个良好的开端。研究员已经在DNA存储了许多内容,它们能灵敏地减少存储错误,其中包括:一个操作系统、一个电脑病毒、一张价值50美元的亚马逊礼品购物卡、1895年于法国上映的世界上第一部电影《火车到站》(Arrival of a train at La Ciotat)、航天飞行器“先驱者”(Pionner)的一块载有人类讯息的镀金铝板以及美国数学家、信息论的创始人克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon)于1948年发表的一篇研究报告。

  研究员Erlich说:“有人问我,‘你怎么能够把视频存进DNA呢?’ 这也是我要向我6岁小儿子解释的问题。”

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