Computing
Volledig functionele DNA-gebaseerde gegevensopslag mogelijk met recente prestatie
In de hyperdigitale wereld van vandaag is elk bedrijf afhankelijk van data. De hoeveelheid bedrijfsdata groeit snel, vooral met de komst van geavanceerde technologieën zoals data‑analyse, het Internet of Things (IoT) en AI, die beide enorme hoeveelheden data genereren en gebruiken.
Deze data is potentieel belangrijk, en het is nu meer dan ooit cruciaal om ze efficiënt, betrouwbaar en veilig te beveiligen. Om data op te slaan, heb je opslagoplossingen nodig die essentiële informatie effectief kunnen benaderen, organiseren, beheren, delen en gebruiken.
Hoewel je computer opslagcapaciteit heeft, is deze beperkt en opgeslagen op een apparaat, waardoor het alleen kan worden gebruikt zolang het apparaat aanstaat en blijft bestaan totdat het wordt verwijderd. Om je data op de lange termijn op te slaan, heb je data‑opslagoplossingen nodig.
De opslagapparaten zijn voornamelijk onderverdeeld in twee groepen:
- Direct area storage (DAS)
- Network‑based storage
DAS is direct verbonden met de computer die er toegang toe heeft, en hoewel het degelijke lokale back‑updiensten kan bieden, is delen eerder beperkt. Apparaten in deze categorie omvatten diskettes, flash‑drives en optische schijven zoals cd’s en dvd’s.
Network‑based storage is nu de optie die het beste geschikt is voor het delen en samenwerken aan data, omdat het meerdere computers via een netwerk toegang geeft tot data. Network‑based storage‑opstellingen bestaan voornamelijk uit twee typen: network‑attached storage (NAS) en storage area network (SAN).
NAS omvat een apparaat dat op een netwerk is aangesloten. Hier wordt data‑opslag en -opvraging uitgevoerd vanaf een gecentraliseerde locatie. Deze betaalbare netwerksopslagoptie maakt het mogelijk voor meerdere gebruikers om bestanden op te slaan en te delen via een TCP/IP‑netwerk via wifi of een kabel.
SAN is een gespecialiseerd, hogesnelheidsnetwerk dat gedeelde pools van opslagapparaten verbindt met meerdere servers. Het omvat meerdere apparaten van verschillende soorten, waaronder:
Een solid‑state‑disk (SSD) is een type harde schijf dat sneller is dan traditionele schijven die flash‑geheugen gebruiken, en flash‑drives, die elektronische opties zijn waarbij data kan worden bijgewerkt door te wissen of te schrijven. Hybride opslag daarentegen combineert verschillende opslagtypen: flash‑opslag, SSD’s en mechanische schijven (HDD’s).
Cloud‑opslag is een andere kosteneffectieve en schaalbare methode omdat data virtueel wordt opgeslagen en dus internet‑ of privénetwerktoegang vereist. Hybride cloud‑opslag maakt gebruik van verschillende clouds – publiek, privé en hybride – voor verschillende workloads.
Nieuwe technologie ontwikkelen om digitale data efficiënter op te slaan
Ondanks al deze opties zoekt de wereld naar efficiëntere oplossingen in een digitale universum die naar verwachting ongeveer 175 zettabytes aan data per jaar zal toevoegen tegen 2025. Een groeiende groep onderzoekers pleit nu voor DNA als een stabiele en duurzame optie om aan deze vraag te voldoen.
DNA wordt al verkend voor data‑opslag, hoewel het nog in een vroeg stadium is, met een marktgrootte van slechts $70 miljoen. Het wordt echter geschat te groeien met een CAGR van meer dan 80 % tegen 2032.
DNA‑data‑opslag is precies wat het zegt: digitale data opslaan in DNA (deoxyribonucleïnezuur), het molecuul dat genetische informatie draagt voor de ontwikkeling en werking van een organisme.
Om DNA te creëren, combineren vier verschillende nucleotiden – Adenine (A), Cytosine (C), Guanine (G) en Thymine (T) – zich tot een dubbele helixstructuur, waarbij twee gekoppelde strengen om elkaar heen wikkelen.
Bij het opslaan van data in DNA wordt de binaire data gecodeerd in gesynthetiseerde DNA‑strengen en vervolgens daarvan gedecodeerd. DNA staat bekend om zijn stabiliteit, dichtheid en lange levensduur. Deze eigenschappen maken DNA een aantrekkelijk opslagmedium.
“Synthetisch DNA heeft het potentieel om orders van grootte meer data op te slaan dan de apparaten van vandaag, en op een manier die veel duurzamer belooft te zijn.”
– Karin Strauss, Senior Principal Research Manager bij Microsoft Research
Naast het opslaan van data is DNA ook onderzocht voor computing. Al tientallen jaren is DNA‑computing onderwerp van onderzoek en ontwikkeling vanwege de voordelen van schaalbaarheid, duurzaamheid en energie‑efficiëntie, onder andere.
In 2019 onthulden onderzoekers van Microsoft en de University of Washington het eerste volledig geautomatiseerde systeem voor het opslaan en ophalen van data met gesynthetiseerd DNA. Dit omvatte het coderen van ‘hello’ in de moleculen van synthetisch DNA dat in het laboratorium werd gecreëerd en vervolgens terug te converteren.
Recente doorbraken in moleculaire computing suggereren dat we in de nabije toekomst zelfs volledige computernetwerken in levende cellen kunnen laten draaien. Terwijl DNA‑opslag al een tijdje bestaat, toont de nieuwe studie de eerste functionele moleculaire computer die zowel opslag als computing via DNA mogelijk maakt in plaats van elektriciteit.
Eerder dit jaar vonden ingenieurs van de University of Minnesota en Rochester Institute of Technology (RIT) een manier om data die in DNA is opgeslagen te verwerken. Deze “microfluidische geïntegreerde schakeling” is ontworpen om te opereren via kunstmatige neurale netwerkberekeningen op data opgeslagen in DNA. Volgens mede‑auteur Amlan Ganguly:
“We bevinden ons in het tijdperk van big data dat ergens moet worden opgeslagen.”
Hij merkte ook op dat het bouwen van meer datacenters geen oplossing is, omdat elk centrum constructie, onderhoud en exploitatie vereist, wat niet duurzaam is.
Deze studie stelde voor om getallen weer te geven via de concentraties van oplossingen die specifiek gemanipuleerde DNA‑moleculen bevatten. Deze manipulatie zou rekenkundige bewerkingen zoals optellen, vermenigvuldigen en andere niet‑lineaire functies vertegenwoordigen die essentieel zijn voor netwerkberekeningen.
Een paar jaar geleden toonde Mark Bathe, een MIT‑professor in biologische engineering, en zijn collega’s ook een methode om het gewenste bestand uit een mengsel van vele DNA‑stukken te halen. Hiervoor encapsuleerden de onderzoekers elk data‑bestand in een 6 μm silica‑deeltje, gelabeld met korte DNA‑sequenties die de inhoud onthullen.
Source: MIT News
Over het enorme potentieel van DNA om te voldoen aan de stijgende vraag naar het opslaan van enorme hoeveelheden data, merkte Bathe op dat DNA geen energie verbruikt zodra het polymeer is gecreëerd. Je schrijft simpelweg het DNA en slaat het onbeperkt op.
Onderzoekers hebben zelfs voorgesteld om DNA’s stabiliteit en duurzaamheid te gebruiken om digitale data te coderen ter beveiliging en bescherming van digitale assets.
Meer onderzoekers en organisaties onderzoeken de potentie van DNA voor data‑opslag en -computing. De wereldwijde markt voor data‑opslag staat momenteel op $217 mrd en wordt voorspeld te groeien tot een verbluffende $777,98 mrd tegen het einde van dit decennium.
DNA‑gebaseerde computing‑doorbraak revolutioneert data‑opslag
In de nieuwste studie, gepubliceerd in Nature, toonden onderzoekers van Johns Hopkins University en North Carolina State University een technologie met zowel data‑opslag‑ als compute‑functies die DNA in plaats van elektronica gebruikt.
Deze technologie kan herhaaldelijk data opslaan, ophalen, berekenen, wissen of herschrijven. Terwijl eerdere DNA‑opslag‑ en computing‑technologieën sommige van deze taken konden uitvoeren, konden ze ze niet allemaal voltooien.
“In conventionele computing‑technologieën nemen we vanzelfsprekend aan dat de manieren waarop data worden opgeslagen en verwerkt compatibel zijn met elkaar.”
– Albert Keung, de studie‑leider en associate professor of chemical and biomolecular engineering aan NC State
Hij voegde daaraan toe:
“Maar in werkelijkheid worden data‑opslag en data‑verwerking in afzonderlijke delen van de computer uitgevoerd, en moderne computers vormen een netwerk van complexe technologieën.”
Aangezien DNA‑gebaseerde data wordt opgeslagen in de vorm van nucleïnezuren, heeft DNA‑computing moeite met hoe het moet opslaan, ophalen en berekenen.
Wat elektronische computing aantrekkelijk maakt, is dat alle componenten van een apparaat compatibel zijn. Maar bij DNA‑data‑opslag is dat niet het geval. Terwijl DNA‑gebaseerde data‑opslag lange‑termijnvoordelen biedt, wordt gedacht dat het ontwikkelen van een DNA‑technologie die het volledige scala aan operaties van traditionele elektronische apparaten dekt, moeilijk of zelfs onmogelijk is.
Nu toont de nieuwste studie aan dat deze DNA‑gebaseerde technologieën daadwerkelijk “haalbaar” zijn omdat we er één hebben gemaakt.
Dit werd bereikt met behulp van recente technieken die de creatie van zachte polymeermaterialen met unieke morfologieën mogelijk maakten. Volgens de mede‑correspondent‑auteur van het artikel, Orlin Velev:
“Specifiek hebben we polymeerstructuren gecreëerd die we dendricolloïden noemen — ze beginnen op microschaal maar vertakken zich hiërarchisch tot een netwerk van nanoschaalvezels.”
In 2019 toonde onderzoek van North Carolina State University aan dat verschillende polymeren die onder speciale omstandigheden uit oplossingen neerslaan unieke, zachte dendritische deeltjesmaterialen kunnen vormen met een opvallende hechting (zoals die van gecko‑voeten, die aan vrijwel elk oppervlak kunnen blijven kleven) en structuur‑opbouwende eigenschappen.
Destijds deelde Velev het gebruik van ‘vloeibare’ nanofabricage om polymeren om te zetten in vertakte deeltjes na het oplossen van het polymeer en het snel mengen van de oplossing met een andere vloeistof. Deze snelle menging in turbulente stroming, een inherent chaotisch proces, creëerde vertakte deeltjes in hiërarchische structuren.
NC State heeft ook een patent aangevraagd op de zachte dendritische materialen evenals op het proces om ze te creëren.
Voor de DNA‑opslagoplossingsstudie heeft de gecreëerde structuur een groot oppervlak, waardoor onderzoekers DNA tussen de nanofibrillen konden deponeren. Dit werd bereikt zonder in te boeten op de datadichtheid, waardoor DNA aantrekkelijk blijft voor data‑opslag.
“Je zou duizend laptops aan data in DNA‑opslag kunnen stoppen, ter grootte van een gum van een potlood.”
– Keung
De eerste auteur van het artikel, Kevin Lin, een voormalig Ph.D.-student aan NC State, stelde dat het vermogen om DNA‑informatie te onderscheiden van de nanovezels waarop het is opgeslagen, het mogelijk maakt om veel van dezelfde functies uit te voeren als bij elektronische apparaten.
Volgens hem kan de DNA‑informatie direct van het oppervlak van het materiaal worden gekopieerd zonder het DNA zelf te beschadigen. Naast de mogelijkheid om gerichte stukken DNA te wissen en vervolgens op hetzelfde oppervlak opnieuw te schrijven, ontdekte de studie dat het deponeren van DNA op het dendricolloïd‑materiaal daadwerkelijk hielp het DNA te behouden.
Velev merkte op dat ze met deze studie “het equivalent van microcircuits” leveren, en dat het dendricolloïdale materiaal het circuit‑board vormt.
Deze nieuwe DNA‑gebaseerde opslag‑ en computing‑technologie, een “primordiale DNA‑opslag‑en‑compute‑engine”, kan ook eenvoudige sudoku‑ en 3 × 3‑schaakproblemen oplossen. Tests suggereren dat de technologie data veilig kan opslaan voor duizenden jaren. Daarbij is “het dendrocolloïdale gastmateriaal zelf relatief goedkoop en eenvoudig te fabriceren,” aldus Velev.
Bedrijven die betrokken zijn bij DNA‑data‑opslag en -computing
Gezien het belang van data en de behoefte aan efficiëntere oplossingen, onderzoeken verschillende bedrijven DNA‑data‑opslag, computing en moleculaire technologieën. Bijvoorbeeld, Thermo Fisher Scientific (TMO) biedt uitgebreide oplossingen voor DNA‑sequencing en moleculaire biologie, terwijl Agilent Technologies (A) zich richt op DNA‑gebaseerde technologieën, en Pacific Biosciences of California (PACB) gespecialiseerd is in long‑read sequencing. Dan is er Helixworks Technologies, dat programmeerbaar DNA‑data‑opslagmateriaal heeft gecreëerd om data‑bestanden of kleine applicaties direct in de moleculaire structuur van een object te coderen.
Nu bekijken we twee prominente namen in dit veld in meer detail. Beide bedrijven, samen met Microsoft, Western Digital en verschillende andere leden, vormden de DNA Data Storage Alliance. De alliantie heeft als doel de groei van digitale data aan te pakken door een goedkope, duurzame archiveringsopslagoplossing met DNA te leveren en de vroege commercialisering ervan te verkennen.
#1. Twist Bioscience Corporation
Dit bedrijf is gespecialiseerd in synthetisch DNA en richt zich sterk op DNA‑data‑opslagtechnologieën. Met een marktkapitalisatie van $2,57 miljard worden de aandelen van Twist Bioscience momenteel verhandeld tegen $43,98, een stijging van 19,32 % YTD. De EPS (TTM) is -3,81, en de P/E (TTM) is -11,53.
(TWST )
Voor Q2 van 2024 rapporteerde het bedrijf omzet van $75,3 miljoen, een stijging van 25 % ten opzichte van hetzelfde kwartaal vorig jaar. De brutomarge steeg ook naar 41 % vergeleken met 31 %. Ondertussen werden tijdens de periode ongeveer 193.000 genen verzonden. $293,3 miljoen werd gerapporteerd als cash, cash equivalents en kortetermijninvesteringen.
“We blijven standvastig en gefocust op ons pad naar winstgevendheid.”
– CEO en mede‑oprichter Emily M. Leproust, Ph.D.
#2. Illumina
Dit bedrijf is een leider in sequencing en array‑gebaseerde oplossingen, die essentieel zijn voor DNA‑data‑verwerking en -opslag. Met een marktkapitalisatie van $20,77 miljard worden de aandelen van Illumina momenteel verhandeld tegen $130,42, een daling van 6,33 % YTD. De EPS (TTM) is -19,18, en de P/E (TTM) is -6,80.
(ILMN )
Voor Q2 van 2024 rapporteerde het bedrijf omzet van $1,09 miljard, een daling van 6 % ten opzichte van 2Q23. De GAAP‑operationele marge was 40,5 %, en de non‑GAAP‑operationele marge was 22,2 %. Aan het einde van het kwartaal werd $994 miljoen aangehouden in cash, cash equivalents en kortetermijninvesteringen.
“Het Illumina‑team leverde resultaten die onze verwachtingen overtroffen in het kwartaal, gedreven door gedisciplineerde uitvoering van onze strategische prioriteiten.”
– CEO Jacob Thaysen
Conclusie
De groeiende digitalisering van de wereld betekent dat digitale data exponentieel zal groeien. Deze explosie van data zal de capaciteit van bestaande opslagtechnologieën ver overtreffen, waardoor de noodzaak ontstaat om nieuwe oplossingen zoals DNA‑opslag te verkennen en te adopteren.
Zoals de nieuwe studie aantoonde, maken voortdurende doorbraken het mogelijk om een volledige reeks data‑opslag‑ en compute‑functies te realiseren. Deze operaties omvatten het opslaan van data, het verplaatsen van data, en het vermogen om specifieke data‑bestanden te lezen, herschrijven, wissen, herladen of te berekenen — allemaal op programmeerbare en herhaalbare wijze zonder het DNA te degraderen.
DNA, een opmerkelijk molecuul dat in elke levende cel voorkomt, biedt een extreem hoge dichtheid, waardoor het de perfecte langetermijnopslagoplossing is (niet alleen voor honderden maar voor duizenden jaren). Dit wijst op het enorme potentieel om de wereld van opslag en computing te transformeren.
