存储之王到来，DNA存储技术突破，常温下可保存信息上千年

　　你相信吗？敦煌壁画可以被存入DNA中，并且在常温下可保存上千年。
　　日前，天津大学合成生物学团队创新了DNA存储算法，将十幅精选敦煌壁画存入DNA中，通过加速老化实验验证壁画信息在实验室常温下可保存千年，在9。4下可保存两万年。
　　这项技术不仅证实了DNA是可靠的存储介质，同时也使信息存储技术进入一个新时代。DNA存储的发展史及优点
　　DNA存储是一种以生物大分子DNA作为信息载体的存储技术，具有容量大、密度高、能耗低等优点。
　　DNA存储最早于1959年由美国物理学家费曼提出。当时，费曼提出了分子尺度计算机的概念，并指出了生物分子（DNA）计算机可以与外部环境进行交互。
　　1994年，图领奖获得者阿德尔曼首次以NDA作为信息载体，生物酶作为算子，解决了哈米尔顿最短路径问题。之后，普林斯顿大学的教授发表了关于构建DNA大容量数据库的论文。
　　1996年，Davis成功将一段只有35bit的黑白图像，写入DNA中。
　　2001年，杜克大学的Reif等人首次构建了一个可以随即访问的DNA数据库，更直接的刺激了研究机构对DNA存储的兴趣。
　　2012年，哈佛大学将一本5万字的图书存储进了DNA中，彻底激起了各大企业研发DNA存储的热潮，其中就有IT巨人微软。
　　2016年微软宣布购买1000万条DNA用于研究数据储存，同时宣布2020年在数据中心建立DNA数据存储系统。
　　2019年7月，《科学》将DNA存储列为全球十大新兴技术。
　　在国内，东南大学、天津大学、华为等也开展了相关研究。
　　2019年，华为宣布成立战略研究院，就是要研发前沿技术，其中就包含DNA存储技术。同时华为表示将要借助DNA存储突破超大存储空间模型和编码技术，打破容量墙。
　　2022年3月，东南大学成功将该校校训止于至善存入一段DNA序列上，实现了DNA存储技术的新突破，并将相关成果发表在国际学术期刊《科学进展》上。
　　而近日，天津大学更是直接将敦煌壁画储存在DNA中，并且可以实现长达千年的保存时间。
　　DNA存储如此火爆，它究竟有何魅力呢？
　　1、存储密度大
　　DNA存储密度大，占用空间小，可以达到传统存储密度的百倍、千倍。
　　每克DNA可存储数据215PB，约225443840GB，相当于22万个1T硬盘的存储量。
　　1千克DNA可以存储21024bits，相当于109千克硅制造的闪存。几十千克的DNA就可以满足全世界几个世纪的需求。
　　哈佛大学研究发现，大肠杆菌的存储密度大约为1019bit每立方厘米，通过计算全世界一年的数据可以存储在边长为1米的DNA立方体中。
　　更形象的例子，一部高清电影可以存储在比方糖还小的空间中。
　　2、存储时间长
　　我们日常使用的U盘、移动硬盘、固态硬盘等都会随着时间而降解。
　　国外机构通过计算，机械硬盘存入数据后，放置在静止的常温环境中，可以保存100年。
　　但实际使用过程中，由于震动，碰撞，跌落，以及强磁体的扰乱和消磁。机械硬盘的寿命通常在47年。
　　DNA的半衰期超过了500年，储存在永冻土层的马DNA在70万年后仍可以进行序测。
　　DNA存储在常温环境（20）中，可以保存上千年，在9。3的环境中，甚至可以储存上万年。
　　3、能耗更低
　　2021年，我国数据中心年耗电量2161亿千瓦时，约占全国总用电量的2。6。相当于两个三峡年发电量（2020年三峡发电量为1118千瓦时），等于烧掉了7200万吨标准煤。
　　数据中心的占地面积也很大，全球最大的数据中心位于美国内华达州的TheCitadel，拥有约67万平方米的空间。
　　我国最大的数据中心位于湖北省，润泽国际信息港拥有，约59万平方米，相当于110个足球场大小。
　　如果采用DNA存储的话，这些都不需要。
　　DNA存储成本有多低呢？在占地方面，可以说是零。因为全球一年的数据可以放在一台冰箱中。
　　而能耗方面也是极低的，试想一下，一台冰箱，一年能耗多少电量呢？一年也就几百度电，电费也就几百元。
　　后期维护费用同样很低，大规模不需要经常访问的冷数据维护费用可以低到零。DNA的存储难点在于技术
　　DNA是脱氧核糖核酸的英文缩写，它是生物遗传的载体，也是生物发育和正常运转的必不可少的大分子。
　　DNA包含4个碱基，腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。
　　既然计算机语言可以用二进制的0、1来表示，那么A、G、T、C同样也可以编译为计算机语言。
　　首先要编码，将计算机二进制编码0、1转变为A、T、C、G组成的DNA序列；
　　然后利用高通量信息合成技术，编制成DNA序列，找到合适的载体，植入；
　　最后可以利用DNA碱基配对的特异性可以对数据进行检索、序测、解码。
　　这些过程涉及DNA合成、聚合酶链式反应、扩增、测序、解码等技术。这些技术有多难呢？简单来说主要有四点：
　　1、DNA合成时，会产生几百上千个备份，这些备份会不断的发生替换、删除、插入等错误；
　　2、DNA扩增时，也会产生替换错误，当然这个概率要远低于合成时产生的错误，但错误率也达到了10。
　　3、丢失信息。DNA在存储过程中，由于复制的不均匀，经常导致一个序列丢失。
　　4、单链DNA分布不平衡，导致合成、扩增后的DNA更加不平衡，这无疑又增加了技术难度。
　　那么如何解决这些难题呢？
　　我们知道DNA有A、T、G、C四种碱基构成，我们让AC代表0，TG代表1。此时，就要保证AC与TG的含量各为50。
　　如果碱基不平衡，就要人工合成所需要的核苷酸，以保证碱基的平衡。
　　至于错误问题，需要多种检验、纠错技术，例如LDPC、RS等技术。弯道超车的好机会
　　随着大数据、人工智能、元宇宙等新型技术的快速发展，数据存储业务也得到了快速发展。而该领域最强的则是三星电子、SK海力士、镁光等外企。
　　存储芯片有三大主流产品，分别是：DRAM、NANDFlash和NORFlash。
　　DRAM市场中，三星、SK海力士、镁光份额分别为42。71、29。27、22。52，合计达到了94。5。
　　NANDFlash被三星、铠侠、西部数据、镁光、SK海力士、英特尔六大厂商把控。
　　NORFlash市场中华邦、旺宏、兆易创新排名前三，市占率分别为25。4、22。5、15。6。
　　其中DRAM占据整个存储芯片市场的半壁江山，这半壁江山被三星、SK海力士、美光半导体垄断，合计占据95的市场份额。
　　该行业中最强的三星电子，在2021年存储芯片营收达到了600亿美元，占到当年总营收的14。
　　三星在芯片存储方面的成品主要有固态硬盘SSD、移动硬盘、存储卡、USB闪存。在技术方面依靠3D垂直闪存、非易失性内存技术，被大量应用在计算机、数据中心领域。
　　为了保证市场供应，三星也加快了制造工厂的布局。
　　制造工厂主要是位于韩国的平泽工厂，该工厂部署了最先进的芯片制造设备。此外，中国的西安工厂也在增产NAND闪存，包括得克萨斯州的奥斯汀晶圆代工厂也将更新产品线。
　　我国的存储企业长江存储、兆易创新等企业与三星、SK海力士仍有很大的差距，这种差距在短时间內几乎无法超越。
　　如今DNA存储技术的出现，无疑是打开了存储领域的一扇窗，能否弯道超车就看这次了。
　　DNA存储是一个新兴的、多学科深度交叉融合的技术，想要把实验室的样品变成市场上的产品，需要科研机构、高校、企业等通力合作。
　　目前除了东南大学、天津大学外，上海交大、中科院、福州大学、同济大学也联合研发使用合成DNA进行数据存储的技术。旨在解决DNA编译、转码、读取等方面的难题。
　　中科院深圳研究所也斥资8683万元，开始合成生物学方面的技术研究。主要针对DNA存储过程中加密方法、增量编码技术，进一步探究DNA存储信息的高效管理能力。
　　2021年成立的中科碳元生物科技公司，依靠中科院的DNA存储技术，自主研发了DNA在线编解码系统，成功完成了从编码、合成、保存、测序、到解码的DNA存储技术路径完整流程。
　　华为也成立相关部门，进军DNA存储领域。
　　在政策方面，DNA存储技术被列为十四五规划，规划提出：加强DNA存储等关键前沿领域的战略研究布局和技术融通创新。
　　科研机构、高校、企业、政策全部具备了，接下来就看我们的科研人员如何来啃这块硬骨头了。写到最后
　　DNA存储展现出了超乎寻常的大容量、低能耗、存储简单等优势，在未来必将引领新的信息革命。
　　能否抓住此次机会，实现弯道超车，超越三星、SK海力士、美光呢？我们拭目以待！
　　我是科技铭程，欢迎共同讨论！