최근 성과로 가능한 완전 기능 DNA 기반 데이터 저장

오늘날의 초디지털 세계에서 모든 기업은 데이터에 의존합니다. 비즈니스 데이터 양은 급격히 증가하고 있으며, 특히 데이터 분석, 사물인터넷(IoT), 그리고 AI와 같은 첨단 기술의 등장으로 방대한 양의 데이터를 생성하고 활용하고 있습니다.

이 데이터는 잠재적으로 중요하며, 이제는 그 어느 때보다 효율적이고 신뢰할 수 있으며 안전한 방식으로 보호하는 것이 필수적입니다.데이터를 저장하려면 중요한 정보를 효과적으로 접근, 조직, 관리, 공유 및 활용할 수 있는 저장 솔루션이 필요합니다.

컴퓨터에도 저장 기능이 있지만 제한적이며 장치에 저장되기 때문에 장치가 켜져 있는 동안에만 사용할 수 있고 삭제될 때까지 남아 있습니다. 장기적으로 데이터를 저장하려면 데이터 저장 솔루션이 필요합니다.

스토리지 장치는 주로 두 그룹으로 나뉩니다:

• 직접 영역 저장(DAS)
• 네트워크 기반 저장

DAS는 이를 접근하는 컴퓨터에 직접 연결되며, 괜찮은 로컬 백업 서비스를 제공할 수 있지만 공유는 다소 제한적입니다. 이 범주에 포함되는 장치로는 디스켓, 플래시 드라이브, CD 및 DVD와 같은 광디스크가 있습니다.

이제 네트워크 기반 저장은 데이터 공유와 협업에 가장 적합한 옵션이며, 여러 컴퓨터가 네트워크를 통해 데이터에 접근할 수 있게 합니다. 네트워크 기반 저장 설정은 주로 두 종류로 구분됩니다: 네트워크 연결 저장(NAS)과 스토리지 영역 네트워크(SAN).

NAS는 네트워크에 연결된 장치를 포함합니다. 여기서 데이터 저장 및 검색은 중앙 위치에서 이루어집니다. 이 저렴한 네트워크 저장 옵션은 여러 사용자가 Wi‑Fi 또는 케이블을 통한 TCP/IP 네트워크를 통해 파일을 저장하고 공유할 수 있게 합니다.

SAN은 여러 서버에 공유 저장 장치 풀을 연결하는 특수 고속 네트워크입니다. 여기에는 다양한 종류의 장치가 포함됩니다:

솔리드 스테이트 디스크(SSD)는 기존 하드 디스크보다 빠른 유형이며, 플래시 메모리와 플래시 드라이브를 사용합니다. 이는 전자 기반 옵션으로, 데이터를 지우거나 쓰기 작업으로 업데이트할 수 있습니다. 하이브리드 저장은 서로 다른 유형의 저장소를 결합한 것으로, 플래시 저장, SSD 및 기계식 디스크 드라이브(HDD)를 포함합니다.

클라우드 저장은 데이터가 가상으로 저장되므로 비용 효율적이고 확장성이 뛰어난 방법이며, 인터넷이나 사설 네트워크에 접근해야 합니다. 하이브리드 클라우드 저장은 퍼블릭, 프라이빗, 하이브리드 등 다양한 클라우드를 활용해 워크로드에 맞게 사용합니다.

디지털 데이터를 보다 효율적으로 저장하기 위한 새로운 기술 개발 

이 모든 옵션에도 불구하고, 2025년까지 연간 약 175 제타바이트의 데이터가 추가될 것으로 예상되는 디지털 우주 속에서 보다 효율적인 솔루션을 찾고 있습니다. 점점 더 많은 연구자들이 이 수요를 충족시키기 위해 DNA를 안정적이고 지속 가능한 옵션으로 제안하고 있습니다.

이미 DNA는 데이터 저장을 위해 탐구되고 있지만 아직 초기 단계이며, 시장 규모는 단 7천만 달러에 불과합니다. 그러나 2032년까지 연평균 성장률(CAGR) 80% 이상으로 성장할 것으로 예상됩니다.

DNA 데이터 저장은 말 그대로 DNA(또는 디옥시리보핵산)라는 분자에 디지털 데이터를 저장하는 것으로, 이 분자는 유기체의 발달과 기능에 필요한 유전 정보를 전달합니다.

DNA를 만들기 위해서는 네 가지 뉴클레오티드인 아데닌(A), 사이토신(C), 구아닌(G), 티민(T)이 결합하여 이중 나선 구조를 형성하며, 두 개의 연결된 가닥이 서로 감깁니다.

DNA에 데이터를 저장할 때, 이진 데이터는 합성된 DNA 가닥에 인코딩되고 다시 디코딩됩니다. DNA는 안정적이고 고밀도이며 장기간 보존할 수 있는 특성으로 알려져 있습니다. 이러한 특성 때문에 DNA는 매력적인 저장 매체가 됩니다.

“합성 DNA는 오늘날의 장치보다 수십 배 더 많은 데이터를 저장할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 훨씬 더 지속 가능한 방식으로 저장할 수 있습니다.”

– Karin Strauss, Microsoft (MSFT ) Research 수석 수석 연구 매니저

데이터 저장 외에도 DNA는 컴퓨팅에도 탐구되어 왔습니다. 수십 년 동안 DNA 컴퓨팅은 확장성, 내구성, 에너지 효율성 등 다양한 이점을 제공한다는 이유로 연구 및 개발의 대상이었습니다.

2019년, Microsoft와 워싱턴 대학교 연구원들은 합성 DNA를 사용해 데이터를 저장하고 검색하는 최초의 완전 자동화 시스템을 공개했습니다. 이는 ‘hello’라는 문자열을 실험실에서 만든 합성 DNA 분자에 인코딩하고 다시 변환하는 과정을 포함했습니다.

최근 분자 컴퓨팅 분야의 돌파구는 가까운 미래에 살아있는 세포 안에서 전체 컴퓨터 네트워크를 실행할 수 있을지도 모른다는 가능성을 제시합니다. DNA 저장은 이미 존재했지만, 이번 새로운 연구는 전기를 사용하지 않고 DNA를 통해 저장과 컴퓨팅을 모두 수행할 수 있는 최초의 기능성 분자 컴퓨터를 선보였습니다.

올해 초, 미네소타 대학교와 로체스터 공과대학(RIT) 연구원들은 DNA에 저장된 데이터를 처리하는 방법을 발견했습니다. 이 ‘마이크로플루이딕 통합 회로’는 DNA에 저장된 데이터를 인공 신경망 연산을 통해 작동하도록 설계되었습니다. 논문 공동 저자인 Amlan Ganguly는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 데이터를 저장할 곳이 필요한 빅 데이터 시대에 살고 있습니다.”

그는 또한 더 많은 데이터 센터를 건설하는 것이 해답이 아니라고 언급했는데, 각 데이터 센터는 건설, 유지보수, 운영이 필요하며 이는 지속 가능하지 않기 때문입니다.

이 연구는 특정하게 조작된 DNA 분자를 포함한 용액의 농도를 통해 숫자를 표현하는 방식을 제안했습니다. 이러한 조작은 덧셈, 곱셈 및 네트워크 연산을 수행하는 데 필수적인 기타 비선형 함수와 같은 컴퓨팅 연산을 나타냅니다.

몇 년 전, MIT 생물공학 교수이자 연구자인 Mark Bathe와 그의 동료들은 많은 DNA 조각이 섞인 혼합물에서 원하는 파일을 선택하는 방법을 선보였습니다. 이를 위해 연구진은 각 데이터 파일을 6μm 실리카 입자에 캡슐화하고, 짧은 DNA 서열을 라벨링하여 내용물을 드러내도록 했습니다.

출처: MIT News

DNA가 방대한 양의 데이터를 저장하는 데 갖는 잠재력에 대해 논의하면서, Bathe는 DNA 폴리머가 생성된 이후에는 에너지를 전혀 소비하지 않는 흥미로운 특성을 강조했습니다. DNA를 기록하고 무한히 저장할 수 있습니다.

연구자들은 DNA의 안정성과 내구성을 활용해 디지털 데이터를 인코딩함으로써 디지털 자산을 안전하게 보호하는 방안을 제안하기도 했습니다.

더 많은 연구자와 조직이 DNA의 잠재력을 조사하고 있습니다. 현재 전 세계 데이터 저장 시장은 $217 억 규모이며, 이번 십년 말까지 무려 $777.98 억에 이를 것으로 전망됩니다.

DNA 기반 컴퓨팅 돌파구가 데이터 저장을 혁신하다

최근 연구에서, Nature에 발표된 연구진(존스 홉킨스 대학교와 노스캐롤라이나 주립대학)은 전자를 대신해 DNA를 사용해 데이터 저장 및 컴퓨팅 기능을 갖춘 기술을 시연했습니다.

이 기술은 데이터를 반복적으로 저장, 검색, 계산, 삭제 또는 재작성할 수 있습니다. 이전의 DNA 저장 및 컴퓨팅 기술은 이러한 작업 중 일부만 수행할 수 있었지만, 모두를 완벽히 수행하지는 못했습니다.

“전통적인 컴퓨팅 기술에서는 데이터 저장 방식과 데이터 처리 방식이 서로 호환된다고 당연하게 생각합니다.”

– Albert Keung, 연구 책임자이자 NC State 화학 및 생체분자공학 부교수

그는 또한 덧붙였습니다:

“하지만 실제로는 데이터 저장과 데이터 처리가 컴퓨터의 별도 부분에서 이루어지며, 현대 컴퓨터는 복잡한 기술들의 네트워크입니다.”

DNA 기반 데이터가 핵산 형태로 저장된다는 점을 고려하면, DNA 컴퓨팅은 이를 저장, 검색 및 계산하는 데 어려움을 겪어왔습니다.

전자 컴퓨팅이 매력적인 이유는 장치의 모든 구성 요소가 호환되기 때문입니다. 그러나 DNA 데이터 저장에서는 상황이 다릅니다. DNA 기반 데이터 저장은 장기적인 이점을 제공하지만, 전통적인 전자 장치에서 발견되는 모든 작업을 포괄하는 DNA 기술을 개발하는 것은 어렵거나 불가능할 것으로 여겨졌습니다.

이제 최신 연구는 이러한 DNA 기반 기술이 실제로 “가능하다”는 것을 보여주었습니다. 왜냐하면 우리가 하나를 만들었기 때문입니다.

이는 최근 기술 덕분에 부드러운 고분자 물질을 독특한 형태로 만들 수 있게 되면서 달성되었습니다. 논문의 공동 교신 저자인 Orlin Velev에 따르면:

“구체적으로, 우리는 ‘덴드리콜로이드’라고 부르는 고분자 구조를 만들었습니다 — 이들은 마이크로 스케일에서 시작해 계층적으로 서로 갈라져 나노 스케일 섬유 네트워크를 형성합니다.”

2019년, 노스캐롤라이나 주립대학의 연구에 따르면, 특수 조건에서 용액으로부터 침전된 다양한 고분자는 독특한 부드러운 덴드리틱 입자 물질을 생성할 수 있으며, 이는 지크의 발톱처럼 거의 모든 표면에 붙을 수 있는 접착성 및 구조 형성 특성을 가지고 있습니다.

당시 Velev는 ‘액체’ 나노제조 방식을 사용해 고분자를 용해한 뒤 다른 액체와 빠르게 혼합하여 고분자를 분기형 입자로 전환했다고 공유했습니다. 이와 같은 난류 흐름에서의 급속 혼합은 계층적 구조의 분기 입자를 생성했습니다.

NC State는 또한 이러한 부드러운 덴드리틱 물질 및 이를 제조하는 공정에 대해 특허를 출원했습니다.

현재 DNA 저장 솔루션 연구에서는 그들이 만든 구조가 높은 표면적을 가지고 있어 연구원들이 나노섬유 사이에 DNA를 침착할 수 있게 했습니다. 이는 데이터 밀도를 희생하지 않고 달성되었으며, DNA를 데이터 저장에 매력적으로 만들었습니다.

“연필 지우개 크기의 DNA 기반 저장소에 천 대의 노트북에 해당하는 데이터를 넣을 수 있습니다.”

– Keung

논문의 첫 번째 저자인 Kevin Lin(전 NC State 박사과정 학생)은 DNA 정보와 그것이 저장된 나노섬유를 구분할 수 있는 능력이 전자 장치와 동일한 많은 기능을 수행할 수 있게 한다고 밝혔습니다.

그에 따르면, DNA 정보는 물질 표면에서 직접 복사될 수 있으며 DNA 자체를 손상시키지 않습니다. 또한 목표 DNA 조각을 삭제하고 동일한 표면에 다시 기록할 수 있는 능력 외에도, 연구는 덴드리콜로이드 물질에 DNA를 침착하면 DNA 보존에도 도움이 된다는 것을 발견했습니다.

Velev는 이번 연구를 통해 “마이크로 회로와 동등한 것”을 제공하고 있으며, 덴드리콜로이드 물질이 회로 기판 역할을 한다고 언급했습니다.

이 새로운 DNA 기반 저장 및 컴퓨팅 기술은 “원시 DNA 저장 및 계산 엔진”이라고 불리며, 간단한 스도쿠와 3 × 3 체스 문제를 해결할 수 있습니다. 테스트 결과 이 기술은 데이터를 수천 년 동안 안전하게 저장할 수 있을 것으로 보입니다. 또한, Velev에 따르면 “덴드리콜로이드 호스트 물질 자체는 비교적 저렴하고 제작이 용이합니다.”

DNA 데이터 저장 및 컴퓨팅에 참여하는 기업들 

데이터의 중요성과 보다 효율적인 솔루션에 대한 필요성 때문에, 여러 기업이 DNA 데이터 저장, 컴퓨팅 및 분자 기술을 연구하고 있습니다. 예를 들어, Thermo Fisher Scientific (TMO ) (TMO)은 DNA 시퀀싱 및 분자 생물학을 위한 포괄적인 솔루션을 제공하고, Agilent Technologies (A ) (A)는 DNA 기반 기술에 집중하며, Pacific Biosciences of California (PACB ) (PACB)는 장기 읽기 시퀀싱 기술을 전문으로 합니다. 또한 Helixworks Technologies는 데이터 파일이나 작은 애플리케이션을 직접 객체의 분자 구조에 인코딩하는 프로그래머블 DNA 데이터 저장 물질을 만들었습니다.

이제 이 분야에서 두드러진 두 기업을 자세히 살펴보겠습니다. 이 두 기업은 Microsoft, Western Digital (WDC ) 및 여러 기관과 함께 DNA Data Storage Alliance (DTST ) 를 설립했습니다. 이 연합은 DNA를 활용한 저비용, 지속 가능한 아카이브 데이터 저장 솔루션을 제공하고 초기 상용화를 탐색함으로써 디지털 데이터 증가에 대응하고자 합니다.

#1. Twist Bioscience Corporation 

이 회사는 합성 DNA를 전문으로 하며 DNA 데이터 저장 기술에 크게 집중하고 있습니다. 시가총액은 25억 7천만 달러이며, Twist Bioscience의 주가는 현재 43.98달러로 연초 대비 19.32% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -3.81이며, P/E(TTM)는 -11.53입니다.

2024년 2분기에, 이 회사는 매출 7,530만 달러를 보고했으며, 이는 전년 동기 대비 25% 증가한 수치입니다. 총 이익률도 31%에서 41%로 상승했습니다. 동시에 약 193,000개의 유전자가 출하되었습니다. 현금, 현금성 자산 및 단기 투자로 2억 9,330만 달러가 보고되었습니다.

“우리는 수익성 달성을 위한 경로에 꾸준히 집중하고 있습니다.”

– CEO 겸 공동 설립자 Emily M. Leproust, Ph.D.

#2. Illumina

이 기업은 DNA 데이터 처리 및 저장에 필수적인 시퀀싱 및 어레이 기반 솔루션의 선두주자입니다. 시가총액은 207억 7천만 달러이며, Illumina의 주가는 현재 130.42달러로 연초 대비 6.33% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -19.18이며, P/E(TTM)는 -6.80입니다.

2024년 2분기에, 이 회사는 매출 10억 9,000만 달러를 보고했으며, 이는 2023년 2분기 대비 6% 감소한 수치입니다. GAAP 영업 이익률은 40.5%였으며, 비GAAP 영업 이익률은 22.2%였습니다. 분기 말에는 현금, 현금성 자산 및 단기 투자로 9억 9,400만 달러가 보유되었습니다.

“Illumina 팀은 전략적 우선순위에 대한 체계적인 실행 덕분에 이번 분기에 기대치를 초과하는 결과를 달성했습니다.”

– CEO Jacob Thaysen

결론

전 세계적인 디지털화가 진행됨에 따라 디지털 데이터는 급격히 증가할 전망입니다. 이러한 데이터 폭발은 기존 저장 기술의 용량을 훨씬 초과할 것이며, DNA 저장과 같은 새로운 솔루션을 탐색하고 채택할 필요성을 촉진합니다.

새로운 연구가 보여주듯, 지속적인 돌파구는 데이터 저장 및 컴퓨팅 기능 전체를 구현할 수 있게 하고 있습니다. 이러한 작업에는 데이터 저장, 데이터 이동, 특정 데이터 파일을 읽고, 재작성하고, 삭제하고, 재로드하거나 컴퓨팅하는 능력이 포함되며, 모두 DNA를 손상시키지 않으면서 프로그래밍 가능하고 반복 가능한 방식으로 수행됩니다.

DNA는 모든 살아있는 세포에 존재하는 놀라운 분자로, 매우 높은 밀도를 제공하여 수백 년이 아니라 수천 년에 걸친 장기 저장 솔루션에 완벽합니다. 이는 저장 및 컴퓨팅 세계를 변혁시킬 거대한 잠재력을 시사합니다.

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