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2023年40篇（共390篇）原創(chuàng)文章 4月末,，有幸收到元英進(jìn)院士的邀請，到天津參加京津冀DNA存儲前沿研討會,。本篇寫點(diǎn)干貨,，來自元老師的DNA數(shù)字信息存儲，結(jié)合自己的認(rèn)知和搜索的資料,，形成筆記,。行文過程中得到元老師親自指導(dǎo)，他非常認(rèn)真,，我受益匪淺,，萬分感激。如有錯漏之處,，還是我個(gè)人的學(xué)識淺薄所致,，文責(zé)自負(fù)，敬請指正,。報(bào)告內(nèi)容很豐富,，我拆分成上、中,、下三篇分享給大家,。文中未標(biāo)注圖片，均來自元老師的PPT,。
希望能讓更多的學(xué)界,、政界、產(chǎn)業(yè)界的朋友,，了解DNA存儲的巨大潛力,，一同克服挑戰(zhàn)，提升我國生物領(lǐng)域的技術(shù)。DNA存儲是以人工合成的脫氧核糖核酸（DNA）分子為存儲介質(zhì),，將數(shù)字信息存儲于DNA分子上。
DNA由腺嘌呤（A）,、鳥嘌呤（G）,、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）4個(gè)堿基構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu),，可以保存生物體的遺傳信息,。 在數(shù)字世界，數(shù)據(jù)信息都會轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)即“0”和“1”的狀態(tài)來進(jìn)行存儲,。 因此,，DNA存儲的基本原理是： 數(shù)據(jù)文件通過編碼轉(zhuǎn)到堿基中，將AGCT轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)信息的存儲,，再配合各種算法便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與讀取,。 人類產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù),，需要存儲和處理,，面臨很大的挑戰(zhàn)。 一方面數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本高,，占地面積和體積蔚為可觀,。
另一方面數(shù)據(jù)中心的維護(hù)成本高，能耗非常巨大,。
同時(shí),，基于AI的數(shù)據(jù)應(yīng)用風(fēng)起云涌。中美雙方必然形成角力,。例如,，美國軍方提出了“算法戰(zhàn)”的新概念。在兩國競爭態(tài)勢愈演愈烈的情況下,，中美必然大力發(fā)展各自的數(shù)字經(jīng)濟(jì),。據(jù)IDC預(yù)測，全球數(shù)據(jù)圈（每年被創(chuàng)建,、采集或復(fù)制的數(shù)據(jù)體量）將從 2018年的32ZB增至2025年的175ZB,，增幅超過5倍。其中,，中國數(shù)據(jù)圈增速最為迅速,。2018年，中國數(shù)據(jù)圈占全球數(shù)據(jù)圈的比例為23.4%,，即7.6ZB,；預(yù)計(jì)到2025年將增至48.6ZB，占全球數(shù)據(jù)圈的27.8%,，中國將成為全球最大的數(shù)據(jù)圈,。換言之，到2025年,，中國48ZB的數(shù)據(jù)如果需要全部存儲的話,，所需要的EB級數(shù)據(jù)中心，將超過45000個(gè),。根據(jù)推算,，這么多的數(shù)據(jù)中心的占地面積將超過31億平方米，1年的存儲成本4.5萬億美金（2022年中國GDP為18萬億美金）,。2020年數(shù)據(jù)中心耗電量大于2000億千瓦時(shí)，超過三峽大壩一年的發(fā)電量,。
巨大的能源消耗,，對各國都帶來節(jié)能減排的挑戰(zhàn)。微軟從2014年開始建設(shè)水下數(shù)據(jù)中心,，希望降低能耗,。并在2020年9月，把海底試運(yùn)行兩年的數(shù)據(jù)中心從海床上撈回來,。盡管水下數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器故障率比傳統(tǒng)服務(wù)中心低,。
但是依然面臨著：數(shù)據(jù)中心大型容器內(nèi)部的干燥問題、海水如何高效冷卻服務(wù)器的最佳方法,，以及水下容器上的海洋生物附著和腐蝕問題,，等等。
因此,，海底數(shù)據(jù)中心還處于科學(xué)實(shí)驗(yàn)向商業(yè)化應(yīng)用的邁進(jìn)過程中,。面對數(shù)據(jù)存儲的挑戰(zhàn)，合成生物領(lǐng)域的科學(xué)家也在進(jìn)行著基礎(chǔ)研究,。 一方面,，基因測序成本的大幅下降，為DNA存儲的成本下降,，帶來可能性,。
但另一方面，基因組等的合成,，仍面臨通量以及成本的極大挑戰(zhàn),。這也是合成生物在其他領(lǐng)域的應(yīng)用推廣面臨的難題。
在研究過程中,，科研人員發(fā)現(xiàn)工程細(xì)胞能夠?qū)崿F(xiàn)的功能非常豐富,，人類對此知之甚少,。
同時(shí)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的工程理念也給予了科研人員以啟發(fā),，不斷開發(fā)合成生物領(lǐng)域的新工具,。例如，秉承著“讓生物更容易工程化（Make Biology Easier to Engineer）”這個(gè)使命和愿景的Ginkgo,，不斷取得成績,。
如何把合成生物學(xué)與信息半導(dǎo)體融合 一方面,，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展遭遇瓶頸： ·摩爾定律遭遇技術(shù)上的發(fā)展極限，功耗也面臨極限,； ·小尺度的半導(dǎo)體加工工藝遭遇了技術(shù)瓶頸,，成本極高； ·投資巨大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈需擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域,，支持持續(xù)投資,。 另一方面，合成生物學(xué)發(fā)展需要突破：·基因組等合成仍面臨通量以及成本的極大挑戰(zhàn),； ·工程細(xì)胞能實(shí)現(xiàn)的功能仍需要進(jìn)一步的擴(kuò)展,； ·合成生物學(xué)借助半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)工程理念，開發(fā)新工具系列,。 兩個(gè)領(lǐng)域的跨界交叉融合,，產(chǎn)生“半導(dǎo)體合成生物學(xué)”的新概念：·生命的信息處理屬性被不斷挖掘，其小尺度,、低功耗的特性吸引半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)行仿生設(shè)計(jì),； ·半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用于高通量DNA測序、DNA合成,、生物檢測等,。 跨界研究形成DNA數(shù)據(jù)存儲的解決方案，一方面應(yīng)對數(shù)據(jù)存儲的挑戰(zhàn),，另一方面推動合成生物學(xué)的發(fā)展,。DNA存儲進(jìn)入主要經(jīng)濟(jì)體的戰(zhàn)略規(guī)劃 從圖中的時(shí)間軸可以看到，中美兩國對于DNA存儲發(fā)展的預(yù)見性較為一致,，起步時(shí)間相近,。
相比較而言，美國在信息處理,、微納加工,、半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域具有國際比較優(yōu)勢，近年來最先提出了“半導(dǎo)體合成生物學(xué)”的概念,。“DNA 數(shù)據(jù)存儲”是“半導(dǎo)體合成生物學(xué)”關(guān)注的重要研究方向之一,，也是現(xiàn)階段被認(rèn)為最有可能率先大規(guī)模應(yīng)用的方向,。事實(shí)上，從20世紀(jì)60年代,，美國就提出了DNA存儲的概念,，并作出科研嘗試。但直到21世紀(jì)DNA存儲才往產(chǎn)業(yè)化的方向推進(jìn),。 （圖片來源：【行研】DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)綜述）
盡管DNA存儲的商業(yè)化路徑還較為漫長，但美國情報(bào)高級研究項(xiàng)目活動（IARPA）依然著力推動分子信息存儲計(jì)劃（Molecular Information Storage, MIST）,，目標(biāo)是：確保美國的領(lǐng)先優(yōu)勢,。IARPA計(jì)劃經(jīng)理David Markowitz表示：“MIST計(jì)劃是數(shù)據(jù)存儲的登月計(jì)劃，旨在開發(fā)使我們能夠?qū)B級數(shù)據(jù)倉庫縮減到臺式機(jī)尺寸的技術(shù),，同時(shí)還可以大幅度降低運(yùn)營和維護(hù)成本,。” “對于政府和行業(yè)中的大數(shù)據(jù)利益相關(guān)者來說,，這將是一種革命性的能力,。” 如果成功,，MIST將開發(fā)出能夠同時(shí)向合成DNA介質(zhì)寫入數(shù)據(jù)和從中讀取數(shù)據(jù)的新型設(shè)備,。目標(biāo)是在三到五年內(nèi)使該技術(shù)在商業(yè)上可行。 因此,，該計(jì)劃最新關(guān)注：實(shí)用化數(shù)據(jù)歸檔存儲場景和系列化核心技術(shù)指標(biāo),。中國在“BT+IT”的DNA存儲領(lǐng)域，也在緊追不舍,。例如,，《第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》就明確指出：
要加快布局量子計(jì)算、量子通信,、神經(jīng)芯片,、DNA存儲等前沿技術(shù)，加強(qiáng)信息科學(xué)與生命科學(xué),、材料等基礎(chǔ)學(xué)科的交叉創(chuàng)新,，支持?jǐn)?shù)字技術(shù)開源社區(qū)等創(chuàng)新聯(lián)合體發(fā)展，完善開源知識產(chǎn)權(quán)和法律體系,，鼓勵企業(yè)開放軟件源代碼,、硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用服務(wù)。但相對于美國,，我國在DNA存儲方面的發(fā)展步伐還是略顯保守,。希望以此文，引起更多的學(xué)界,、商界,、政界朋友,，關(guān)注DNA存儲領(lǐng)域。
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