コンピューティング
最近の成果で実現した完全に機能するDNAベースのデータストレージ
Securities.io を Google の優先ソースに追加
今日のハイパーデジタルな世界では、すべての企業がデータに依存しています。ビジネスデータの量は急速に増加しており、特にデータ分析や、Internet of Things (IoT)、AI といった先進技術の登場により、膨大なデータが生成・活用されています。
このデータは潜在的に重要であり、かつこれまで以上に効率的で信頼性が高く安全な方法で保護することが重要です。データを保存するには、重要な情報に効果的にアクセスし、整理し、管理し、共有し、利用できるストレージソリューションが必要です。
コンピュータにはストレージ機能がありますが、容量は限られておりデバイスに保存されるため、デバイスが稼働している間しか使用できず、削除されるまでしか保持できません。長期的にデータを保存するには、データストレージソリューションが必要です。
ストレージデバイスは主に2つのグループに分けられます：
- 直接領域ストレージ (DAS)
- ネットワークベースのストレージ
DAS はそれにアクセスするコンピュータに直接接続されており、ローカルバックアップとしては十分な機能を提供しますが、共有はかなり制限されます。このカテゴリのデバイスには、ディスクette、フラッシュドライブ、CD や DVD などの光学ディスクが含まれます。
ネットワークベースのストレージは、データ共有とコラボレーションに最適なオプションであり、複数のコンピュータがネットワーク経由でデータにアクセスできます。ネットワークベースのストレージは主に2種類に分かれます：ネットワークアタッチドストレージ (NAS) とストレージエリアネットワーク (SAN)。
NAS はネットワークに接続されたデバイスを指し、データの保存と取得は集中管理された場所で行われます。この手頃なネットワークストレージは、複数のユーザーが Wi-Fi または有線の TCP/IP ネットワークを通じてファイルを保存・共有できるようにします。
SAN は、共有ストレージプールを複数のサーバーに接続する、専門的で高速なネットワークです。さまざまな種類のデバイスが含まれます：
ソリッドステートディスク (SSD) は、フラッシュメモリやフラッシュドライブを使用する従来のハードディスクよりも高速なタイプです。これらはデータを消去または書き込み操作で更新できる電子ベースのオプションです。一方、ハイブリッドストレージは、フラッシュストレージ、SSD、機械式ディスクドライブ (HDD) など、さまざまなストレージタイプを組み合わせたものです。
クラウドストレージは、データが仮想的に保存されるため、インターネットまたはプライベートネットワークへのアクセスが必要になるものの、コスト効率が高くスケーラブルな方法です。ハイブリッドクラウドストレージは、パブリック、プライベート、ハイブリッドの各クラウドを用途に応じて組み合わせて使用します。
デジタルデータをより効率的に保存する新技術の開発
これらの選択肢にもかかわらず、2025年までに年間約175ゼタバイトのデータが増加すると予測されるデジタル宇宙に直面し、世界はより効率的なソリューションを求めています。増え続ける研究者グループは、この需要に応えるために DNA を安定かつ持続可能なオプションとして提唱しています。
すでに DNA はデータ保存のために研究されており、まだ初期段階ですが、市場規模はわずか $70 million です。しかし、2032年までに年平均成長率 80％ 超で拡大すると見込まれています。
DNA データストレージとは文字通り、DNA（デオキシリボ核酸）にデジタルデータを保存することです。DNA は生物の発育と機能に必要な遺伝情報を運ぶ分子です。
DNA を作るには、4 つの異なるヌクレオチド（アデニン (A)、シトシン (C)、グアニン (G)、チミン (T)）が組み合わさって二重らせん構造を形成し、2 本の鎖が互いに巻きつきます。
DNA にデータを保存する際、バイナリデータは合成された DNA 鎖にエンコードされ、そこからデコードされます。DNA は安定性が高く、密度が高く、長期間保存できることで知られています。これらの特性により、DNA は魅力的なストレージ媒体となります。
「合成 DNA は、現在のデバイスより何桁も多くのデータを保存でき、はるかに持続可能な方法である可能性があります。」
– Microsoft (MSFT ) Research のシニアプリンシパルリサーチマネージャー、カリン・ストラウス
データ保存に加えて、DNA は計算にも活用が検討されています。何十年もの間、DNA コンピューティングはスケーラビリティ、耐久性、エネルギー効率などの利点から研究開発の対象となってきました。
2019 年、Microsoft とワシントン大学の研究者は、合成 DNA を用いたデータの保存と取得のための完全自動化システムを初めて発表しました。これは、実験室で作成された合成 DNA の分子に「hello」をエンコードし、再び復元することを含んでいました。
分子コンピューティングの最近のブレークスルーにより、近い将来、生細胞内でコンピュータネットワーク全体を実行できる可能性が示唆されています。DNA ストレージはすでに一定期間存在していますが、新しい研究は、電力ではなく DNA を用いて保存と計算の両方を実現できる初の機能的分子コンピュータを示しています。
今年初め、ミネソタ大学とロチェスター工科大学 (RIT) のエンジニアは、DNA に保存されたデータを処理する方法を見つけました。この「マイクロ流体統合回路」は、DNA に保存されたデータに対する人工ニューラルネットワーク計算で動作するよう設計されています。論文の共同著者であるアムラン・ガングリーによれば：
「私たちは、どこかに保存しなければならないビッグデータの時代にいます。」
彼はまた、データセンターを増やすことは解決策ではなく、各センターは建設、維持、運用が必要であり、持続可能ではないと指摘しました。
この研究では、特別に操作された DNA 分子を含む溶液の濃度で数値を表現することを提案しました。この操作は、加算、乗算、ネットワーク計算に不可欠な他の非線形関数といった計算操作を表すものです。
数年前、MIT の生体工学教授であるマーク・バス教授とその同僚は、複数の DNA 断片の混合物から目的のファイルを選び出す方法を示しました。そのために、研究者は各データファイルを 6μm のシリカ粒子に封入し、内容を示す短い DNA 配列でラベル付けしました。
出典: MIT News
膨大なデータ保存需要に応える DNA の広大な可能性について語る中で、バス教授は DNA ポリマーが作成された後はエネルギーを消費しないという興味深い特性を指摘しました。DNA を書き込めば、無期限に保存できます。
研究者はさらに、DNA の安定性と耐久性を利用してデジタルデータをエンコードし、デジタル資産を保護することを提案しています。
さらに多くの研究者や組織が、データ保存と計算における DNA の可能性を調査しています。世界のデータストレージ市場は現在 $217 bln で、今 decade の終わりまでに $777.98 bln に達すると予測されています。
DNAベースのコンピューティングのブレークスルーがデータストレージを革命的に変える
最新の研究で、Nature に掲載されたジョンズ・ホプキンス大学とノースカロライナ州立大学の研究者は、電子機器の代わりに DNA を用いたデータ保存と計算機能を備える技術を実証しました。
この技術はデータの保存、取得、計算、消去、再書き込みを繰り返し行うことができます。従来の DNA ストレージおよびコンピューティング技術はこれらのタスクの一部は実行できましたが、すべてを完了できませんでした。
「従来のコンピューティング技術では、データの保存方法と処理方法が互換性があることを当然と考えています。」
– NC State の化学・生体分子工学准教授であり本研究のリーダー、アルバート・クーン
彼はさらに付け加えました：
「しかし実際には、データの保存と処理はコンピュータの別々の部分で行われ、現代のコンピュータは複雑な技術のネットワークです。」
DNA ベースのデータは核酸の形で保存されるため、DNA コンピューティングはその保存、取得、計算方法に苦慮してきました。
電子コンピューティングが魅力的なのは、デバイスのすべてのコンポーネントが互換性を持つからです。しかし DNA データストレージではそれが当てはまりません。DNA ベースのデータストレージは長期的な利点を提供しますが、従来の電子デバイスに見られるすべての操作範囲をカバーできる DNA 技術の開発は、困難か不可能であると考えられています。
しかし、最新の研究は、これらの DNA ベース技術が実際に「実用的である、なぜなら私たちはそれを作り上げたからだ」と示しています。
これは、独自の形態を持つ軟性ポリマー材料の作成を可能にした最近の技術の助けによって実現されました。論文の共同通信著者であるオーリン・ヴェレフによれば：
「具体的には、私たちは『デンドリコロイド』と呼ぶポリマー構造を作成しました—それらは微小スケールで始まり、階層的に分岐してナノスケールの繊維ネットワークを形成します。」
2019 年、ノースカロライナ州立大学の研究は、特別な条件下で溶液から沈殿したさまざまなポリマーが、独特の接着性（ヤモリの足のようにほぼすべての表面に付着できる）と構造構築特性を持つ、ユニークで軟らかい樹枝状粒子材料を生成できることを示しました。
当時、ヴェレフは、ポリマーを溶解し、別の液体と急速に混合する「液体」ナノ製造法を用いて、樹枝状粒子に変換したことを共有しました。この乱流中での急速混合は、本質的にカオス的なプロセスで、階層的構造の樹枝状粒子を生成しました。
NC State は、これらの軟性樹枝状材料およびその作成プロセスについて特許を出願しました。
現在、DNA ストレージソリューションの研究では、作成された構造は表面積が大きく、研究者はナノ繊維間に DNA を沈着させることができました。データ密度を犠牲にすることなく実現され、DNA がデータ保存に魅力的であることが示されました。
「鉛筆の消しゴムと同じサイズの DNA ベースのストレージに、千台分のラップトップに相当するデータを入れることができます。」
– クーン
論文の第一著者である NC State の元博士課程学生、ケビン・リンは、DNA 情報とそれが保存されているナノ繊維を区別できることで、電子デバイスと同様の多くの機能を実行できると述べました。
彼によれば、DNA 情報は素材の表面から直接コピーでき、DNA 自体を損なうことはありません。特定の DNA 部分を消去し、同じ表面に再書き込みできる能力に加えて、研究ではデンドリコロイド材料に DNA を沈着させることで DNA の保存が実際に助けられることが分かりました。
ヴェレフは、この研究により「マイクロ回路に相当するもの」を提供しており、デンドリコロイド材料が回路基板を提供していると指摘しました。
この新しい DNA ベースの保存・計算技術は「原始的 DNA ストアおよびコンピュートエンジン」と呼ばれ、シンプルな数独や 3 × 3 のチェス問題を解くことも可能です。テストでは、この技術が数千年にわたりデータを安全に保存できることが示唆されています。さらに、ヴェレフによれば「デンドロコロイドホスト材料自体は比較的安価で製造が容易です」。
DNA データストレージとコンピューティングに関わる企業
データの重要性とより効率的なソリューションの必要性を踏まえ、複数の企業が DNA データストレージ、コンピューティング、分子技術に取り組んでいます。例えば、Thermo Fisher Scientific (TMO ) (TMO) は DNA シーケンシングと分子生物学の包括的ソリューションを提供し、Agilent Technologies (A ) (A) は DNA ベースの技術に注力し、Pacific Biosciences of California (PACB ) (PACB) は長鎖シーケンシング技術を専門としています。また、Helixworks Technologies は、データファイルや小規模アプリケーションをオブジェクトの分子構造に直接エンコードするプログラマブル DNA データストレージ素材を開発しました。 (DTST )
ここでは、この分野で注目すべき 2 社を詳しく見ていきます。これらの企業は、Microsoft、Western Digital (WDC ) 、その他複数のメンバー機関と共に DNA データストレージアライアンスを結成しました。このアライアンスは、DNA を用いた低コストで持続可能なアーカイブデータストレージソリューションを提供し、デジタルデータの増大に対応し、早期商業化を探求することを目的としています。
#1. Twist Bioscience Corporation
この会社は合成 DNA を専門とし、DNA データストレージ技術に重点を置いています。時価総額は $2.57 billion で、現在の株価は $43.98、年初来で 19.32% 上昇しています。EPS (TTM) は -3.81、P/E (TTM) は -11.53 です。
TWST 価格チャート
2024 年第2四半期において、同社は売上高 $75.3 million を報告し、前年同期比で 25% 増加しました。粗利益率も 31% から 41% に上昇しました。また、期間中に約 193,000 本の遺伝子が出荷されました。現金・現金同等物および短期投資は $293.3 million と報告されました。
「私たちは収益性への道を揺るぎなく、集中して進んでいます。」
– CEO 兼共同創業者 エミリー・M・ルプラウスト博士
#2. Illumina
こちらはシーケンシングとアレイベースのソリューションのリーダーであり、DNA データ処理と保存に不可欠です。時価総額は $20.77 billion で、現在の株価は $130.42、年初来で 6.33% 下落しています。EPS (TTM) は -19.18、P/E (TTM) は -6.80 です。
ILMN 価格チャート
2024 年第2四半期において、同社は売上高 $1.09 billion を報告し、2023年第2四半期から 6% 減少しました。GAAP 営業利益率は 40.5%、非 GAAP 営業利益率は 22.2% でした。四半期末の現金・現金同等物および短期投資は $994 million でした。
「Illumina チームは、戦略的優先事項の着実な実行により、四半期の結果を期待以上に達成しました。」
– CEO ジェイコブ・タイセン
結論
世界のデジタル化が進むにつれ、デジタルデータは指数関数的に増加する見通しです。このデータの爆発的増加は既存のストレージ技術の容量をはるかに超えることが予想され、DNA ストレージのような新しいソリューションの探求と採用が必要となります。
新しい研究が示すように、継続的なブレークスルーにより、データ保存と計算のフルセット機能を実現できるようになっています。これらの操作には、データの保存、転送、特定のデータファイルの読み取り、再書き込み、消去、再ロード、または計算が含まれ、すべて DNA を劣化させることなくプログラム可能かつ繰り返し可能な方法で行えます。
DNA はすべての生細胞に存在する驚異的な分子で、極めて高い密度を持ち、数百年だけでなく数千年にわたる長期保存に最適です。これにより、ストレージとコンピューティングの世界を変革する巨大な可能性が示されています。
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