今日热搜丨DNA存储

从结绳记事到竹简纸张，

从计算机存储到光盘刻录，

人类从未停止追求更加高效便捷的

信息存储方式，

信息存储方式的变革

很大程度上也塑造着

我们获取信息和认知世界的方式。

互联网和人工智能等信息技术的快速发展，使得信息量呈指数增长。据统计测算，全球数据信息总量将由2018年的30ZB增长至2025年的163ZB，该趋势将很快超过现有硬盘等存储介质的承受能力。便携式硬盘、USB闪存和集成电路等存储体系已经逐渐暴露出存储期限短、数据易受环境因素影响等不足。正是在这样的背景下，利用DNA存储数据这一思路被提出来。

视频来源：中国金融信息中心、浙江大学上海高等研究院。

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什么是DNA存储

DNA存储技术是以人工合成的脱氧核糖核酸（DNA）分子为存储介质，将数字信息存储于DNA分子上。

DNA由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）4个碱基构成双螺旋结构，可以保存生物体的遗传信息。而在数字世界，数据信息都会转换为二进制数据即“0”和“1”的状态来进行存储。

因此，可以将数据文件通过编码转到碱基中，将AGCT转化为二进制数据来实现信息的存储，再配合各种算法便可以实现数据的存储与读取。

DNA是生物世界的信息存储材料。作为已知最密集、稳定的存储介质之一，DNA具有密度大、耗能低、无磨损和寿命长等潜在优势。当前技术已经能够对DNA进行常规的测序、合成以及方便准确的复制。倘若能够把数据存储在DNA的字母序列中，将把DNA变成一种新的信息技术形式。这意味着“一个边长约1米的DNA立方体就完全可以满足目前全世界一年的存储需求”，将大大提高人类数据存储的能力。

2021年12月1日，东南大学师生将“止于至善”的校训翻译成英文后进行四进制编码，并以DNA分子形式存储在电极表面，最终读取出来，这为未来的高通量自动化DNA存储带来无限想像。图为东南大学团队研发的用来存储数据的DNA四通道电极。

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DNA存储有何优劣势

相比于目前我们常用的存储介质，如U盘、光盘、硬盘等，DNA存储具有一系列优势。

一是存储密度高。由于DNA独特的双螺旋立体结构，单位空间可存储的数据密度相当高。据估算，每立方厘米的DNA分子可以存储大约1EB的信息，这一密度是当前存储密度最高的介质（闪存）的1000倍，是硬盘数据存储密度的百万倍。

二是保存寿命长。通常情况下，传统的数据存储在10年左右就会开始失去完整性，但DNA对于外部环境，如高温、震荡等具有较强的抗干扰能力。目前人类从化石中可以提取出百万年前动物的DNA。因此，从理论上来说，DNA数据在没有特别人工干预的情况下至少能保存千年之久。

三是维护成本低。目前数据中心的维护需要耗费大量的能源，而存储在DNA的数据，理论上来说通过低温冷冻或者固态封存的手段，可以长时间存储且几乎不需要维护，这尤其适用于存储大规模不需要经常访问的“冷数据”。

此外，DNA存储所需要的占地也远小于传统存储介质，并且还具备数据易复制、易携带、能在生物体内存储等特点。

虽然DNA存储拥有一系列优势，但在目前的发展过程中仍然存在很多问题。

一是数据读写速度慢。当前主流的数据写入技术需要进行DNA合成，读取技术需要进行DNA测序，这两种技术的处理效率还不能达到日常数据读写的要求。

二是读写成本高昂。目前DNA数据读写需要专用的设备来完成，设备造价费用高，导致数据读写成本高昂。

三是数据安全问题凸显。一旦DNA数据存储技术成熟，存储材料的隐蔽性也会对数据安全带来新的挑战。

四是DNA介质不能覆盖和重写。不像我们目前使用的可擦除存储，DNA存储技术把信息存进去以后，一般来说不能修改，想读取存储的信息，只能通过把全部信息完全测序出来再转码。

五是定点读取困难。目前，数据读取需要将整个DNA序列测一遍，难以直接从中间某处开始读取，而且操作过程需要液体试剂，操作极不方便。

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专家声音

东南大学生物科学与医学工程学院教授刘宏

目前由于读取速度受限，DNA存储主要应用于备份、档案存储等实际场景，但倘若DNA存储技术读取速度发生革命性变化，DNA存储或许也可以像我们如今用的移动硬盘一样进行现场即时存储。DNA存储技术将有望成为下一代信息存储技术。

浙江大学上海高等研究院院长周如鸿

DNA作为存储介质有着天然的优势。一是信息密度高，根据2017年《Science》文章提出的技术，1克的DNA材料可以存储215个PB（petabytes）的数据，与传统硅基材料相比，相同重量单位的存储能力有着几个数量级的差别；二是半衰期长，DNA的半衰期长达521年，加上DNA材料可以实现矿物化，有望储存数百万年而保证原先信息不丢失。这为突破性解决信息爆炸难题提供了可能。

中国科学院化学研究所研究员宋延林

DNA存储在理论上有很多优势，但它还有很多关键技术难题需要解决。无论传统的光、电、磁介质存储还是功能分子、DNA存储，一项能够实际应用的技术，除了存取密度、速度、使用寿命和安全性外，还要考虑其稳定性、方便性和成本。

来源：人民日报、科技日报、中国网信杂志、中国金融信息中心、中国科学报

原标题：《今日热搜丨DNA存储》

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