Повністю функціональне зберігання даних на основі ДНК можливе завдяки останнім досягненням

У сучасному гіперцифровому світі кожен бізнес залежить від даних. Обсяг бізнес-даних стрімко зростає, особливо з появою передових технологій, таких як аналітика даних, Інтернет речей (IoT)та ШІ, які генерують і використовують величезні обсяги даних.

Ці дані потенційно важливі, і зараз, як ніколи раніше, критично важливо захистити їх ефективним, надійним та безпечним способом. Щоб зберігати дані, вам потрібні рішення для зберігання для ефективного доступу, організації, керування, спільного використання та використання важливої ​​інформації.

Хоча ваш комп’ютер має можливості зберігання даних, вони обмежені та зберігаються на пристрої, тому їх можна використовувати лише тоді, коли пристрій увімкнено, і вони залишаються такими до видалення. Щоб зберігати дані протягом тривалого часу, вам потрібні рішення для зберігання даних.

Запам'ятовуючі пристрої в основному поділяються на дві групи:

• Пряме зберігання (DAS)
• Мережне сховище

DAS безпосередньо підключений до обчислювальної машини, яка має до нього доступ, і хоча він може надавати пристойні локальні служби резервного копіювання, спільне використання досить обмежене. Пристрої цієї категорії включають дискети, флеш-накопичувачі та оптичні диски, такі як компакт-диски та DVD-диски. 

Зараз мережеве сховище є найкращим варіантом для обміну даними та співпраці, оскільки воно дозволяє кільком комп’ютерам отримувати доступ до даних через мережу. Налаштування мережевого сховища переважно бувають двох типів: мережеве сховище (NAS) і мережа зберігання (SAN). 

NAS передбачає пристрій, підключений до мережі. Тут зберігання та пошук даних здійснюється з централізованого місця. Цей доступний варіант мережевого зберігання дозволяє кільком користувачам зберігати та обмінюватися файлами через мережу TCP/IP через Wi-Fi або кабель.

SAN — це спеціалізована високошвидкісна мережа, яка з’єднує спільні пули пристроїв зберігання даних із кількома серверами. Він включає в себе кілька пристроїв різних типів, які включають:

Твердотільний диск (SSD) — це тип жорсткого диска, який є швидшим за традиційні диски, які використовують флеш-пам’ять і флеш-накопичувачі, які є опціями на основі електроніки, де дані можна оновлювати за допомогою операцій стирання або запису. Гібридне сховище, тим часом, передбачає поєднання різних типів сховища: флеш-пам’ять, SSD та механічні диски (HDD).

Хмарне сховище є ще одним економічно ефективним і масштабованим методом, оскільки дані зберігаються віртуально і тому потребують доступу до Інтернету або приватної мережі. Гібридне хмарне сховище використовує різні хмари, публічні, приватні та гібридні, для різних робочих навантажень. 

Розробка нової технології для більш ефективного зберігання цифрових даних 

Незважаючи на всі ці варіанти, світ шукає ефективніших рішень перед обличчям цифрового всесвіту, який, за прогнозами, додасть близько 175 зетабайт даних щорічно до 2025 року. Зараз зростаюча група дослідників виступає за ДНК як стабільний і стійкий варіант для задоволення цього попиту.

ДНК вже досліджується для зберігання даних, хоча це ще на ранніх стадіях, з розмір ринку лише 70 мільйонів доларів. Однак, за оцінками, до 80 року CAGR буде зростати більше ніж на 2032%.

Зберігання даних ДНК — це саме те, що воно означає: зберігання цифрових даних у ДНК (або дезоксирибонуклеїновій кислоті) — молекулі, яка несе генетичну інформацію для розвитку та функціонування організму. 

Для створення ДНК чотири різні нуклеотиди — аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) і тимін (T) — об’єднуються, утворюючи структуру подвійної спіралі, де два з’єднані ланцюги обертаються один навколо одного.

Під час зберігання даних у ДНК двійкові дані кодуються в синтезованих ланцюгах ДНК, а потім декодуються з них. ДНК відома своєю стабільністю, щільністю та здатністю зберігатися тривалий час. Ці якості роблять ДНК привабливим носієм інформації. 

«Синтетична ДНК має потенціал зберігати на порядок більше даних, ніж сучасні пристрої, і таким чином, що це обіцяє бути набагато більш сталим».

– Карін Штраус, старший керівник досліджень Microsoft Research

Крім зберігання даних, ДНК також має досліджено для обчислень. Протягом багатьох десятиліть ДНК-обчислення є предметом досліджень і розробок завдяки таким перевагам, як масштабованість, довговічність і енергоефективність, зокрема.

Ще в 2019 році дослідники з Microsoft і Університету Вашингтона представив першу повністю автоматизовану систему для зберігання та отримання даних за допомогою синтезованої ДНК. Це включало кодування слова «hello» у молекулах синтетичної ДНК, створеної в лабораторії, а потім її перетворення назад.

Недавні прориви в молекулярних обчисленнях свідчать про те, що в недалекому майбутньому ми навіть зможемо запускати цілі комп’ютерні мережі в живих клітинах. Хоча зберігання ДНК фактично існує вже деякий час, нове дослідження демонструє перший функціональний молекулярний комп’ютер, здатний як зберігати, так і обчислювати через ДНК замість використання електрики.

На початку цього року інженери Університету Міннесоти та Рочестерського технологічного інституту (RIT) знайшов спосіб для обробки даних, що зберігаються в ДНК. Ця «мікрофлюїдна інтегральна схема» розроблена для роботи через обчислення штучної нейронної мережі з даними, що зберігаються в ДНК. За словами співавтора статті Амлана Гангулі:

«Ми живемо в епоху великих даних, які потрібно десь зберігати».

Він також зазначив, що будівництво нових центрів обробки даних не є рішенням, оскільки кожен з них потребує будівництва, обслуговування та експлуатації, що не є стійким.

Це дослідження запропонувало представлення чисел через концентрації розчинів, що містять спеціально маніпуловані молекули ДНК. Ця маніпуляція буде представляти обчислювальні операції, такі як додавання, множення та інші нелінійні функції, необхідні для виконання мережевих обчислень.

Пару років тому Марк Бат, професор біологічної інженерії Массачусетського технологічного інституту та його колеги також продемонстрований спосіб вибрати потрібний файл із суміші багатьох фрагментів ДНК. Для цього дослідники інкапсулювали кожен файл даних у частинку кремнезему розміром 6 мкм, позначену короткими послідовностями ДНК, які розкривають вміст.

джерело: Новини MIT

Обговорюючи величезний потенціал ДНК для задоволення зростаючих потреб зберігання величезних обсягів даних, Бат зазначив її цікаву властивість не споживати жодної енергії після створення ДНК-полімеру. Ви просто записуєте ДНК і зберігаєте її необмежений час.

Дослідники навіть запропонований використання стабільності та довговічності ДНК для кодування цифрових даних з метою забезпечення безпеки та захисту цифрових активів.

Більше дослідників і організацій дослідження потенціалу ДНК для зберігання даних та обчислень. Світовий ринок зберігання даних наразі знаходиться на $ 217 млрд та  за прогнозами, досягне колосальних 777.98 мільярдів доларів до кінця цього десятиліття.

Обчислювальний прорив на основі ДНК революціонізує зберігання даних

В останньому дослідженні опубліковано в Nature, дослідники з Університету Джона Хопкінса та Університету штату Північна Кароліна продемонстрували технологію зберігання даних і обчислювальних функцій із використанням ДНК замість електроніки.

Ця технологія може багаторазово зберігати, отримувати, обчислювати, стирати або перезаписувати дані. Хоча попередні технології зберігання та обчислення ДНК могли виконувати деякі з цих завдань, вони не могли виконати їх усі.

«У звичайних обчислювальних технологіях ми вважаємо само собою зрозумілим, що способи зберігання та обробки даних є сумісними».

– Альберт Кеунг, керівник дослідження та доцент кафедри хімічної та біомолекулярної інженерії в штаті Північна Кароліна

Він також додав:

«Але насправді зберігання й обробка даних здійснюються в окремих частинах комп’ютера, а сучасні комп’ютери — це мережа складних технологій». 

Враховуючи, що дані на основі ДНК зберігаються у формі нуклеїнових кислот, обчислення ДНК борються з тим, як їх зберігати, отримувати та обчислювати.

Привабливістю електронних обчислень є те, що всі компоненти пристрою сумісні. Але зі сховищем даних на основі ДНК це не так. Хоча сховище даних на основі ДНК пропонує довгострокові переваги, вважається, що розробка технології ДНК, яка може охопити весь спектр операцій, що використовуються в традиційних електронних пристроях, буде або складною, або неможливою. 

Тепер останнє дослідження демонструє, що ці технології на основі ДНК насправді «життєздатні, оскільки ми створили одну з них».

Цього вдалося досягти за допомогою останніх технологій, які дозволили створити м’які полімерні матеріали з унікальною морфологією. За словами співавтора статті Орліна Велева:

«Зокрема, ми створили полімерні структури, які ми називаємо дендриколоїдами — вони починаються на мікромасштабі, але ієрархічно відгалужуються одна від одної, створюючи мережу нанорозмірних волокон».  

У 2019 році дослідження, проведене Університетом штату Північна Кароліна, показало, що різні полімери, осаджені з розчинів за особливих умов, можуть створювати унікальні м’які матеріали з дендритними частинками з чітким адгезивом (як лапки гекона, які дозволяють їм прилипати майже до будь-якої поверхні) і структурою. -будівельні властивості.

У той час Велев розповідав про використання «рідинного» наноматеріалу для перетворення полімерів на розгалужені частинки після розчинення полімеру та швидкого змішування розчину з іншою рідиною. Таке швидке змішування в турбулентному потоці, що є за своєю суттю хаотичним процесом, створювало розгалужені частинки в ієрархічних структурах.

Штат NC також подав патент на м’які дендритні матеріали, а також на процес їх створення.

Тепер, для дослідження рішення для зберігання ДНК, структура, яку вони створили, має велику площу поверхні, що дозволяє дослідникам відкладати ДНК серед нанофібрил. Цей було досягнуто без шкоди для щільності даних, що робить ДНК привабливою для зберігання даних.

«Ви могли б помістити дані тисячі ноутбуків у сховище на основі ДНК, яке має розмір гумки для олівців».

– Кеунг

Перший автор статті, Кевін Лін, колишній докторант Університету штату Північна Кароліна, заявив, що здатність розрізняти інформацію ДНК та нановолокна, на яких вона зберігається, дозволяє виконувати багато тих самих функцій, що й за допомогою електронних пристроїв. 

За його словами, інформацію про ДНК можна скопіювати безпосередньо з поверхні матеріалу без шкоди для самої ДНК. Окрім здатності стирати цільові фрагменти ДНК, а потім переписувати їх на ту саму поверхню, дослідження показало, що нанесення ДНК на дендриколоїдний матеріал фактично допомогло зберегти ДНК.

Велев зазначив, що за допомогою дослідження вони «забезпечують еквівалент мікросхем», а дендриколоїдний матеріал забезпечує друковану плату.

Ця нова технологія зберігання та обчислення на основі ДНК, яка називається «первинним механізмом зберігання та обчислення ДНК», також здатна вирішувати прості судоку та шахові задачі 3 × 3. Тестування показує, що технологія може безпечно зберігати дані протягом тисяч років. Крім того, «дендроколоїдний господарський матеріал відносно недорогий і його легко виготовити», за словами Велева.

Компанії, що займаються зберіганням та обчисленням даних ДНК 

З огляду на важливість даних та потребу в ефективніших рішеннях, кілька компаній розглядають технології зберігання даних ДНК, обчислювальні технології та молекулярні технології. Наприклад, Thermo Fisher Scientific (TMO) пропонує комплексні рішення для секвенування ДНК та молекулярної біології, тоді як Agilent Technologies (A) зосереджується на технологіях на основі ДНК, а Pacific Biosciences of California (PACB) спеціалізується на технології секвенування довгих фрагментів. Також існує Helixworks Technologies, яка створила програмований матеріал для зберігання даних ДНК для кодування файлів даних або невеликих програм безпосередньо в молекулярну структуру об'єкта.

Тепер ми детальніше розглянемо два відомих імені в цій галузі. Обидві ці фірми, разом з Microsoft, Western Digital та кількома іншими установами-членами, утворили Альянс зберігання даних ДНК. Альянс має на меті зупинити зростання цифрових даних, запропонувавши недороге, надійне рішення для зберігання архівних даних із використанням ДНК і досліджуючи його ранню комерціалізацію.

# 1. Twist Bioscience Corporation 

Ця компанія спеціалізується на синтетичній ДНК та значною мірою зосереджена на технологіях зберігання даних ДНК. З ринковою капіталізацією в 2.57 мільярда доларів, акції Twist Bioscience зараз торгуються за ціною 43.98 долара, що на 19.32% більше, ніж за рік. Її прибуток на акцію (TTM) становить -3.81, а коефіцієнт P/E (TTM) – -11.53.

За 2 квартал 2024 року компанія повідомляє дохід склав 75.3 мільйона доларів, що на 25% більше, ніж у тому ж кварталі минулого року. Валовий прибуток також зріс до 41% порівняно з 31%. Водночас за цей період було відправлено близько 193,000 293.3 генів. XNUMX мільйона доларів було повідомлено в грошових коштах, їх еквівалентах і короткострокових інвестиціях.

«Ми залишаємося непохитними та зосередженими на нашому шляху до прибутковості».

– генеральний директор і співзасновник Емілі М. Лепруст, доктор філософії.

# 2. Illumina

Ця компанія є лідером у сфері рішень для секвенування та використання масивів, які є важливими для обробки та зберігання даних ДНК. З ринковою капіталізацією в 20.77 мільярда доларів, акції Illumina зараз торгуються на рівні 130.42 долара, що на 6.33% менше, ніж з початку року. Її прибуток на акцію (TTM) становить -19.18, а коефіцієнт P/E (TTM) – -6.80.

За 2 квартал 2024 року компанія повідомляє дохід склав 1.09 мільярда доларів США, що на 6% менше порівняно з 2кв. Його операційна маржа згідно з GAAP становила 23%, а операційна маржа не згідно з GAAP – 40.5%. На кінець кварталу 22.2 мільйони доларів США були готівкою, їх еквівалентами та короткостроковими інвестиціями.

«Команда Illumina досягла результатів, які випередили наші очікування, у кварталі завдяки дисциплінованому виконанню наших стратегічних пріоритетів».

– генеральний директор Джейкоб Тайсен

Висновок

Зростаюча цифровізація світу означає, що цифрові дані готові до експоненціального зростання. Цей вибух даних значно перевищить потужність існуючої технології зберігання, що спонукає до необхідності досліджувати та застосовувати нові рішення, такі як зберігання ДНК.

Як показало нове дослідження, поточні прориви дають змогу досягти повного набору функцій зберігання даних і обчислень. Ці операції включають зберігання даних, переміщення даних і можливість читати, перезаписувати, стирати, перезавантажувати або обчислювати певні файли даних — і все це програмованими та повторюваними способами без погіршення ДНК.

ДНК, дивовижна молекула, яка міститься в кожній живій клітині, забезпечує надзвичайно високу щільність, що робить її ідеальним рішенням для тривалого зберігання (не лише протягом сотень, а й тисяч років). Це вказує на його величезний потенціал у перетворенні світу зберігання та обчислень.

Клацніть тут, щоб дізнатися, як маніпулювання центрами кольорів діаманта може змінити зберігання даних.