孜然实验室|DNA存储器突破了理论极限，一部手机装下全世界的数据

科学家提出的扩展核酸存储器方案将存储密度提升数倍，达到惊人的每立方厘米630EB 。一部手机的体积就能存储2020年全世界一年的数据，而2040年（10^24位， 1YB）的预计存储需求能够放进100×100×10立方厘米的盒子中。
人类每天都在创造大量的数据。据IDC发布的报告，全球每年产生的数据将从2018年的33ZB增长到2025年的175ZB ，相当于每天产生491EB的数据。

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我们先了解一下数据单位 1B（Byte 字节）=8b（bit 位） 1KB（Kilobyte 千字节）=1024B 1MB（Megabyte 兆字节）=1024KB 1GB（Gigabyte 吉字节）=1024MB 1TB（Trillionbyte太字节）=1024GB 1PB（Petabyte拍字节）=1024TB 1EB（Exabyte艾字节）=1024PB 1ZB（Zettabyte泽字节）=1024EB 1YB（Yottabyte尧字节）=1024ZB
今年一季度，存储服务商Backblaze回顾了自己的12万块硬盘的可靠性，三大品牌硬盘的综合年化故障率为1.07% 。硬盘的理论寿命是3万小时以上，有些可能多至10多年，而有些可能不足1年。不管怎样，硬盘的寿命不够长。

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机械硬盘
此外，随着信息量呈指数增长，制造存储设备的原料可能面临短缺。
我们使用以硅（从沙子中提炼出来）为主要元素制成的微芯片来收集、处理和存储数据。硅是地壳中第二丰富的元素，但用来生产高纯度硅的矿产却不是很多，只占硅总量的不足10% 。

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硅晶圆
一项研究表明，到2040年，海量数据可能会耗尽全球计算机用硅。改进硅的提炼工艺是解决方案之一，但是面临成本问题。此外，其他替代材料，如氧化镓、二硒化铪、二硒化锆和石墨烯等，进展缓慢。
除了上述材料，脱氧核糖核酸（DNA）带来了新的希望。

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DNA形象图
生物体利用核苷酸形成长链，也就是RNA和DNA ，来编码和存储蛋白质信息。人类每一个细胞中都包含一份DNA ，而这份DNA的数据量大概相当于3GB 。

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DNA显微照片利用DNA来存储数据
目前最先进的计算机硬盘的存储密度大约是每立方厘米1.25TB 。而标准的DNA存储器在相同的体积的存储能力是硬盘的1百万倍，即1250000TB ，或1250PB ， 1.25EB 。一个小行李箱就能够存储全年的数据量。作为对比， 2019年全年机械硬盘出货量是3.2亿块，固态硬盘2.4亿块。

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固态硬盘
DNA之所以有如此高的存储密度，部分原因是DNA有4个基本单位：核苷酸，分别是G ， A ， T和C（鸟嘌呤，腺嘌呤，胸腺嘧啶和胞嘧啶），而计算系统目前使用的是基于0和1的二进制系统。进制的倍增能够使存储信息量呈“指数级增长” 。

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最近，印度科学家提出了一种新的编码方案，称为扩展核酸存储器（NAM），极大的提高了单位体积可存储容量，这可能是数据存储技术的未来。
加尔各答的Meghnad Saha理工学院的计算机专家添加了两对新的非标准核苷酸，分别是Ds-Px（thienylimidazopyridine和nitropropynylpyrrole）和Im-Na（imidazopyrimidine和naphthyridine）。分页标题
核苷酸总数量达到4对，扩展核酸存储器的存储密度将提高许多倍，每立方厘米超过630EB 。一部手机的体积就能存储2020年全世界一年的数据，而2040年（10^24位， 1YB）的预计存储需求能够放进100×100×10立方厘米的盒子中。许多文章提到DNA存储理论上最大可以达到每克455EB ，这实际上是不准确的。这个计算方法只计算DNA本身的重量，实际上一个存储系统需要其他读取和写入组件，这将显著降低存储密度。在本文的数据中，科学家假设扩展核酸存储器的存储密度大概相当于大肠杆菌的DNA数据密度。除了存储密度以外， DNA存储还具有许多其他优势。
耐用性：DNA 可保存很长时间 - 如果低温保存，可保存数百万年。相比之下，常用的长期存储介质 - 磁带，在使用10年后就必须被更换。

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从古生物骨骼中提取DNA
能耗：DNA存储器在存储、处理和读取过程中所需的能耗非常低。根据计算， DNA存储能耗仅为flash闪存的1/10000000~1/1000000000 。
可持续性：DNA可由生物体制造，可以完全回收利用，意味着几乎可以获得无限原料。面临的技术挑战
DNA读取和写入数据的速度慢于其他类型的存储技术。短期内用于高速存储设备是不现实的。 DNA存储最有希望首先用于对速度要求不高的场合，比如替代用于长期存储数据的磁带设备。
成本是另一个重要问题。目前在实验室环境中，合成2MB数据的成本是7000美元，读取数据需要2000美元。

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好消息是， DNA测序的费用正在持续大幅下降，从2002年的31250美元/兆碱基下降至2016年的63美分/兆碱基。目前多个研究团体正在发展基于DNA的数据存储技术。假以时日，这些难题将会得到解决。光明的未来
【孜然实验室|DNA存储器突破了理论极限，一部手机装下全世界的数据】如果硅消耗殆尽，可能会使世界陷入停滞。鉴于我们产生数据的增长速度，这是一个迫切需要解决的问题。 DNA存储器也许就是未来的终极解决方案。