Computing
Fuldt funktionsdygtig DNA-baseret datalagring mulig med seneste gennembrud
I dagens hyper-digitale verden er alle virksomheder afhængige af data. Mængden af forretningsdata vokser hurtigt, især med fremkomsten af avancerede teknologier som dataanalyse, Internet of Things (IoT) og AI, som både genererer og udnytter massive mængder data.
Denne data er potentielt vigtig, og det er kritisk, mere end nogensinde, at sikre den på en effektiv, pålidelig og sikker måde. For at gemme data, har du brug for lagringsløsninger til at få adgang til, organisere, styre, dele og bruge vital information.
Selvom din computer har lagringskapacitet, er det begrænset og gemt på en enhed, så det kun kan bruges, mens enheden er tændt og forbliver, indtil det slettes. For at gemme dine data på længere sigt, har du brug for datalagringsløsninger.
Lagringsenhederne er hovedsageligt inddelt i to grupper:
- Direkte områdelagring (DAS)
- Netværksbaseret lagring
DAS er direkte forbundet til den computermaskine, der får adgang til det, og selvom det kan give anstændige lokale backup-tjenester, er deling ret begrænset. Enheder i denne kategori inkluderer disketter, flash-drev og optiske diske som CD’er og DVD’er.
Nu er netværksbaseret lagring den bedste mulighed for data-deling og samarbejde, da det tillader multiple computere at få adgang til data via et netværk. Netværksbaseret lagringsopsætning er primært af to typer: netværks-tilknyttet lagring (NAS) og lagringsnetværk (SAN).
NAS indebærer en enhed, der er forbundet til et netværk. Her er data-lagring og -henting gjort fra en central placering. Denne billige netværksløsning tillader multiple brugere at gemme og dele filer over et TCP/IP-netværk via Wi-Fi eller en kabel.
SAN er et specialiseret, højhastighedsnetværk, der forbinder fælles lagringsenheder til multiple servere. Det indebærer multiple enheder af forskellige typer, som inkluderer:
En faststatisk disk (SSD) er en type harddisk, der er hurtigere end traditionelle, der bruger flash-hukommelse og flash-drev, som er elektronikbaserede muligheder, hvor data kan opdateres ved sletning eller skriveoperationer. Hybrid-lagring indebærer en blanding af forskellige typer lagring: flash-lagring, SSD’er og mekaniske diskdrev (HDD’er).
Sky-lagring er en anden omkostningseffektiv og skalerbar metode, fordi data gemmes virtuelt og kræver derfor adgang til internettet eller et privat netværk. Hybrid-sky-lagring bruger forskellige skyer, offentlige, private og hybrid, til forskellige arbejdsmængder.
Udvikling af ny teknologi til at gemme digitale data mere effektivt
Trods alle disse muligheder søger verden efter mere effektive løsninger i lyset af et digitalt univers, der forventes at tilføje cirka 175 zettabytes data årligt inden 2025. En voksende gruppe forskere søger nu efter DNA som en stabil og bæredygtig mulighed for at imødekomme dette krav.
Allerede nu undersøges DNA til datalagring, selvom det stadig er i sine første faser, med en markedsværdi på kun $70 millioner. Men det forventes at vokse med mere end 80% inden 2032.
DNA-datalagring er præcis, hvad det siger: at gemme digitale data i DNA (eller deoxyribonukleinsyre), molekylet, der bærer genetisk information for en organisms udvikling og funktionsmåde.
For at skabe DNA, kombinerer fire forskellige nukleotider – Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) og Thymin (T) – for at danne en dobbelt-helix-struktur, hvor to forbundne strenge snoer sig omkring hinanden.
Når du gemmer data i DNA, kodificeres binærdata i syntetiserede DNA-strenge og derefter dekodificeres fra dem. DNA er kendt for at være stabilt, tæt og have evnen til at holde i lang tid. Disse egenskaber gør DNA til en attraktiv lagringsmedium.
“Syntetisk DNA har potentialet til at gemme ordrer af størrelse mere data end dagens enheder, og på en måde, der lover at være langt mere bæredygtig.”
– Karin Strauss, Senior Principal Research Manager at Microsoft Research
Ud over at gemme data, er DNA også undersøgt til computing. I mange årtier nu har DNA-computing været genstand for forskning og udvikling på grund af fordelene ved skalerbarhed, holdbarhed og energi-effektivitet, blandt andet.
Tilbage i 2019 afslørede forskere fra Microsoft og University of Washington den første fuldt automatiserede system for at gemme og hente data ved hjælp af syntetiseret DNA. Dette indebærer kodificering af ‘hello’ i molekylerne af syntetisk DNA skabt i laboratoriet og derefter omdannelse tilbage.
Seneste gennembrud i molekylær computing antyder, at vi måske sogar kan køre hele computer-netværk inde i levende celler i nær fremtid. Selvom DNA-lagring faktisk har været til stede i lidt tid nu, viser den nye studie den første funktionsdygtige molekylære computer, der kan både gemme og computere via DNA i stedet for at bruge elektricitet.
Tidligere i år fandt ingeniører ved University of Minnesota og Rochester Institute of Technology (RIT) en måde at behandle data gemt i DNA. Denne “microfluidic integrated circuit” er designet til at operere via kunstig neuralt netværksberegninger på data gemt i DNA. Ifølge paper-co-author Amlan Ganguly:
“Vi er i tiden for big data, der skal gemmes et sted.”
Han bemærkede også, at opførelse af flere datacentre ikke er svaret, da hver enkelt kræver opførelse, vedligeholdelse og drift, hvilket ikke er bæredygtigt.
Denne studie foreslog at repræsentere tal gennem koncentrationerne af opløsninger, der indeholder specifikt manipulerede DNA-molekyler. Denne manipulation ville repræsentere computing-operationer som addition, multiplikation og andre ikke-lineære funktioner, der er essentielle for at udføre netværksberegninger.
For et par år siden viste Mark Bathe, en MIT-professor i biologisk ingeniørvidenskab og hans kolleger, også en måde at vælge det ønskede fil fra en blanding af mange stykker DNA. For at gøre det, kapslede forskerne hver datafil ind i en 6μm-partikel af silika, mærket med korte DNA-sekvenser, der afslører indholdet.
Source: MIT News
Diskussion om DNA’s enorme potentiale til at imødekomme det stigende krav om at gemme massive mængder data, bemærkede Bathe, at det har en interessant egenskab ved ikke at forbruge noget energi, når DNA-polymeren er skabt. Du skriver blot DNA og gemmer det ubegrænset.
Forskere har endda forslagt at bruge DNA’s stabilitet og holdbarhed til at kodificere digitale data for at sikre og beskytte digitale aktiver.
Flere forskere og organisationer undersøger DNA’s potentiale for datalagring og computing. Det globale datalagringsmarked er på $217 mia. og forventes at nå en kolossal $777,98 mia. inden slutningen af dette årti.
DNA-baseret computing-gennembrud revolutionerer datalagring
I den seneste studie, publiceret i Nature, demonstrerede forskere fra Johns Hopkins University og North Carolina State University en teknologi med datalagring og computing-funktioner ved hjælp af DNA i stedet for elektronik.
Denne teknologi kan gentagne gange gemme, hente, computere, slette eller genskrive data. Selvom tidligere DNA-lagring og computing-teknologi har kunnet udføre nogle af disse opgaver, kunne de ikke gennemføre dem alle.
“I konventionel computing-teknologi tager vi for givet, at måderne, data gemmes på, og måden, data behandles på, er kompatible med hinanden.”
– Albert Keung, studieleder og associate professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab på NC State
Han tilføjede også:
“Men i virkeligheden udføres data-lagring og data-behandling i separate dele af computeren, og moderne computere er et netværk af komplekse teknologier.”
Givet, at DNA-baseret data gemmes i form af nukleinsyrer, har DNA-computing kæmpet med, hvordan man kan gemme, hente og computere det.
Hvad gør elektronisk computing attraktivt, er, at alle komponenterne i en enhed er kompatible. Men med DNA-datalagring er det ikke tilfældet. Selvom DNA-baseret datalagring tilbyder langsigtede fordele, troede man, at det ville være svært eller umuligt at udvikle en DNA-teknologi, der kan dække det fulde spektrum af operationer, der findes i traditionelle elektroniske enheder.
Nu demonstrerer den seneste studie, at disse DNA-baserede teknologier faktisk er “gennemførlige, fordi vi har skabt en.”
Dette blev opnået med hjælp af ny teknik, der har gjort det muligt at skabe bløde polymateriale med unikke morfologier. Ifølge co-corresponding author of the paper, Orlin Velev:
“Specifikt har vi skabt polymere-strukturer, som vi kalder dendricolloider — de starter på mikroskala, men forgrener sig fra hinanden på en hierarkisk måde for at skabe et netværk af nanoskala-fibres.”
I 2019 viste forskning fra North Carolina State University, at forskellige polymerer, der er udskilt fra opløsninger under særlige betingelser, kan skabe unikke, bløde dendritiske partikelmateriale med distinkte adhesive (som dem fra gecko-fødder, der tillader dem at klæbe til næsten overflader) og struktur-bygningsegenskaber.
På det tidspunkt delte Velev brug af ‘liquid’ nanomanufacturing til at omdanne polymerer til forgrenede partikler efter at have opløst polymeren og blandet opløsningen hurtigt med en anden væske. Denne hurtige blanding i turbulent flow, en instrinsisk kaotisk proces, skabte forgrenede partikler i hierarkiske strukturer.
NC State har også indgivet en patent på de bløde dendritiske materialer samt processen til at skabe dem.
Nu, for DNA-lagringsløsningen, har strukturen, de har skabt, en høj overflade, der tillader forskerne at aflevere DNA blandt nanofibrillerne. Dette blev opnået uden at ofre data-tætheden, hvilket gør DNA attraktivt for datalagring.
“Du kunne putte en tusind laptops’ værdi af data i DNA-baseret lagring, der er af samme størrelse som en blyantspidser.”
– Keung
Paperets første forfatter, Kevin Lin, en tidligere Ph.D.-studerende på NC State, udtalte, at evnen til at skelne mellem DNA-information og nanofibrillerne, det gemmes på, tillader udførelse af mange af de samme funktioner, der kan udføres med elektroniske enheder.
Ifølge ham kan DNA-informationen kopieres direkte fra overfladen af materialet uden at skade DNA selv. Ud over evnen til at slette målrettede stykker DNA og derefter genskrive dem til samme overflade, fandt studiet, at aflejring af DNA på dendricolloid-materialet faktisk hjalp med at bevare DNA.
Velev bemærkede, at med studiet “tilbyder vi det tilsvarende til mikrocirkuits,” og dendricolloid-materialet tilbyder circuit boardet.
Denne nye DNA-baserede lagrings- og computing-teknologi, kaldet en “primordial DNA-lagring og compute-engine,” er også i stand til at løse simple sudoku og 3 × 3 skak-problemer. Testning antyder, at teknologien kunne gemme data sikkert i tusinder af år. Oven i købet er “dendrocolloidal host-materialet i sig selv relativt billigt og let at fabrikere,” ifølge Velev.
Virksomheder involveret i DNA-datalagring og computing
Givet datans og behovet for mere effektive løsninger, søger flere virksomheder efter DNA-datalagring, computing og molekylær teknologi. For eksempel tilbyder Thermo Fisher Scientific (TMO) omfattende løsninger til DNA-sekventering og molekylærbiologi, mens Agilent Technologies (A) fokuserer på DNA-baserede teknologier, og Pacific Biosciences of California (PACB) specialiserer sig i lang-læsningsteknologi. Så er der Helixworks Technologies, der har skabt programmerbar DNA-datalagring til at kodificere datafiler eller små programmer direkte ind i et objekts molekylærstruktur.
Nu vil vi tage en nærmere kig på to fremtrædende navne i dette felt. Begge disse virksomheder, sammen med Microsoft, Western Digital og flere andre medlemsinstitutioner, dannede DNA Data Storage Alliance. Alliancen sigter mod at imødekomme digital datavækst ved at levere en lavkost, bæredygtig arkiv-datalagringsløsning ved hjælp af DNA og undersøge dens tidlige kommercielle anvendelse.
#1. Twist Bioscience Corporation
Denne virksomhed specialiserer sig i syntetisk DNA og fokuserer kraftigt på DNA-datalagringsteknologier. Med en markedsværdi på $2,57 mia. handler Twist Bioscience-aktier for $43,98, op 19,32% YTD. Dens EPS (TTM) er -3,81, og dens P/E (TTM) er -11,53.
(TWST )
For Q2 i 2024 rapporterede virksomheden en omsætning på $75,3 mio., hvilket er en stigning på 25% i forhold til samme kvartal sidste år. Gross margin steg også til 41% i forhold til 31%. I perioden blev omkring 193.000 gener leveret. $293,3 mio. blev rapporteret i kontanter, kontanter og kortfristige investeringer.
“Vi forbliver faste og fokuserede på vores vej til profitabilitet.”
– CEO og medstifter Emily M. Leproust, Ph.D.
#2. Illumina
Dette er en leder inden for sekventering og array-baserede løsninger, der er essentielle for DNA-datalagring og computing. Med en markedsværdi på $20,77 mia. handler Illumina-aktier for $130,42, ned 6,33% YTD. Dens EPS (TTM) er -19,18, og dens P/E (TTM) er -6,80.
(ILMN )
For Q2 i 2024 rapporterede virksomheden en omsætning på $1,09 mia., ned 6% i forhold til 2Q23. Dens GAAP-driftsmargin var 40,5%, og dens non-GAAP-driftsmargin var 22,2%. Ved kvartalets afslutning havde virksomheden $994 mio. i kontanter, kontanter og kortfristige investeringer.
“Illumina-holdet leverede resultater, der overgik vores forventninger i kvartalet, drevet af disciplineret gennemførelse af vores strategiske prioriteter.”
– CEO Jacob Thaysen
Konklusion
Den voksende digitalisering af verden betyder, at digitale data er på vej til at vokse eksponentielt. Denne eksplosion af data er sat til at overgå kapaciteten af eksisterende lagringsteknologi, hvilket driver behovet for at undersøge og adoptere nye løsninger som DNA-lagring.
Som den nye studie demonstrerede, er pågående gennembrud muliggørende for at opnå en fuld række datalagring og computing-funktioner. Disse operationer inkluderer datalagring, dataflytning og evnen til at læse, genskrive, slette, genindlæse eller computere bestemte datafiler — alt sammen på programmerbar og gentagen måde uden at nedbryde DNA.
DNA, et bemærkelsesværdigt molekyle fundet i hver levende celle, tilbyder ekstremt høj tæthed, hvilket gør det til det perfekte langsigtede lagringsløsning (ikke kun for hundredvis, men tusinder af år). Dette peger på dets enorme potentiale til at transformere verden af lagring og computing.
