微軟計劃在雲存儲中加入基於DNA的存儲單元

微軟正在開發一種利用生物學技術替代磁帶機的存儲設備。此前，他們已經成功將電影和文件存儲到DNA中。

微軟研究院的計算機架構師表示，他們已設定了目標，預期在十年內打造一個可運行的存儲係統，以DNA存儲作為數據中心。微軟研究院的合作架構師Doug Carmean說，公司期望“建立一個原始商業係統，將三年內一定量的數據存儲在某個數據中心的DNA上，至少用於一項精品應用。”

最終的設備尺寸大致類似於1970年代的Xerox大型複印機。

微軟內部則更為雄心勃勃：他們想徹底取代磁帶機這種存儲信息的常用格式。Carmean說：“我們想創建‘DNA，存儲你’一類的品牌。”

這些計劃表明，一些科技公司正在認真琢磨用基因來保存視頻，照片或有價值的文檔——雖然這個想法多少有點奇怪。半導體研究協會首席科學家Victor Zhirnov稱，之所以要這樣做，是因為電腦內存已經快要到達物理極限，壓榨不出什麼空間了，而DNA能以不可思議的密度來存儲數據。

如果以DNA的形式存儲現階段每一部電影，所占用的體積不會超過一塊方糖大小。

Zhirnov說：“我們正在解決的問題是如何用有限尺寸的存儲單元來存儲呈指數級增長的信息量。從物理學的規律來講，DNA是目前所知宇宙中密度最高的存儲介質，這就是人們研究它的原因。”

去年七月，微軟公開宣布了一項新紀錄，他們將200MB的數據存儲至DNA鏈，其中包括一盤音樂錄像帶。這項工作由微軟研究院的Karin Strauss和華盛頓大學計算機科學家Lius Ceze的實驗室共同領銜完成，並於今年三月發表在Biorxiv預印版上。

當然實現基於DNA的存儲係統仍然存在一個主要的問題：將數字轉換為DNA代碼（標記為A，G，C和T的核苷酸鏈）需要引入製造DNA鏈的化學過程，所以費時費力而且價格昂貴。微軟在其示範項目中使用了13,448,372個獨特的DNA片段。專家說，在公開市場上購買這麼多材料得花80萬美元。

今年早些時候報道利用DNA存儲數據的新方法時，哥倫比亞大學教授Yaniv Erlich就說：“DNA存儲的主要問題是成本問題。從微軟的出版物來看，在解決這個問題方麵，沒有任何突破，但也許他們或多或少有一些進展。”

據微軟稱，DNA存儲要想得到廣泛使用，成本需要降低1萬倍。雖然很多專家認為這不太可能，但微軟認為，隻要計算機行業有這樣的需求，進步就可能會發生。

將數據自動寫入DNA的過程也是至關重要的。根據幾周的實驗結果，Carmean估計DNA的數據寫入速度隻有400b/秒，而微軟要求速度達到100Mb/秒。

讀取數據則容易很多，這個過程可以高速順序完成，包括調取文件的特定部分，類似於訪問計算機上的係統內存。微軟認為，即使DNA存儲的讀取速度隻能提升兩倍，商用也已經足夠了。

由於DNA存儲的數據寫入和檢索很慢，因此這項技術的早期隻能用於特殊情況。比如用來存儲法律和監管用途的數據，如警察的監控記錄或醫療記錄。

微軟目前與位於舊金山的DNA製造商Twist Bioscience合作。Twist是此類旨在推進DNA生產的新公司之一，其他有有 DNAScript，Nuclera Nucleics，Evonetix，Molecular Assemblies，Catalog DNA，Helixworks等初創公司，以及牛津Nanopore的孵化公司Genome Foundry。

一些創業公司所追求的是引入一種用酶來製造DNA的方法（就像我們的身體所做的那樣），來取代40年來的DNA製造化學工藝。如果成功，這將是令人興奮的突破。洛斯阿爾托斯的Technicolor研究部科學主任Jean Bolot表示，在哈佛大學，致力於基因組學研究的喬治教堂實驗室正在資助這項工作。

Bolot表示有信心今年就能拿得出結果，他的公司一直在和電影製片廠討論如何使用DNA存儲。1951年之前製作的電影中有一半因為存放在賽璐珞上而丟失。現在像高分辨率視頻和虛擬現實這樣的新格式正在擴展製片廠保存作品的能力。

Zhirnov表示，計算機芯片製造商正在認真對待DNA存儲，因為傳統媒介（如磁帶或硬盤）可以存儲的數據量存在物理上限。自2013年開始，他所在的半導體研究協會由微軟、英特爾等公司出資展開DNA的存儲應用研究。

Zhirnov稱，過去那些認為DNA不可靠的半導體專家驚訝地發現，DNA的使用壽命可以比半導體器件長一百倍甚至一千倍。DNA分子是如此穩定，這也是為什麼經常能從猛獁的骨頭和古人的遺體中提取DNA的緣故。

不過，DNA最重要的特點其實是存儲密度極高。一立方毫米的DNA分子可以存儲1,000,000,000,000,000,000（十的十八次冪）字節的信息。“存儲密度是人類發展這項技術的源動力。”Zhirnov說。

微軟研究院的發言人表示，目前公司尚無法確認“產品計劃的細節”。在公司內部，DNA儲存顯然擁有諸多擁躉，但仍未被普遍接受英特爾前頂尖芯片設計師Carmean說：“我們內部很多人相信DNA會成功，但有些人還是隻相信磁帶存儲。”

除了高密度和可靠以外，DNA還有一個並不常被提及的優勢，那就是它與人類的高度相關性。想想那些不能讀的舊軟盤，或是刻在陶片上無法解讀的象形文字。不同於以往的介質，DNA可能永遠不會被淘汰更替。

Carmean說：“隻要我們還是人類，我們就一直都在讀取DNA。”