DNA存储之后,DNA存内计算也来了

罗切斯特理工学院(RIT)的一位研究员开发了一种微流控芯片,能够利用存储在DNA中的数据执行人工神经网络(ANN)的计算。

DNA存储依赖于将数据存储为四种核苷酸——胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)的特定组合,这些核苷酸在DNA生物聚合物分子的双螺旋结构中发现。

一种方法是将这些核苷酸对应成二进制的1和0。罗切斯特理工学院凯特·格里森工程学院的计算机工程系主任Amlan Ganguly共同撰写了一篇科学论文,他在其中设想了“一种使用DNA分子的计算平台,这些分子能够在原位进行计算,无需将信息从DNA转换为电子领域。”

Ganguly表示:“DNA在存储信息方面表现出色,实际上,它比我们拥有的大多数内存硬件要好得多,因为它的紧凑性大约是内存硬件的3到6个数量级;它也更加可靠和耐用。”

他补充说:“我们提议通过特定操作DNA分子的溶液浓度来表示数字,并且通过操作DNA分子来进行计算操作——像加法和乘法以及网络计算所需的其他非线性函数可以执行。这就是从存储到计算的桥梁,并使用DNA作为执行计算的媒介。”

Ganguly的论文中提到:“虽然使用DNA分子表示计算的生化反应比电子门慢几个数量级,但它们的数据密度比固态存储高3个数量级,能耗比固态存储低8个数量级。”

基于微流控的RIT集成电路(IC)适用于“高密度、要求高吞吐量的生物兼容应用,如智能器官芯片或其他可能不是延迟敏感的生物医学应用。”

研究论文摘要称:“它完全在分子领域内计算,无需将数据转换为电形式,使其成为一种基于DNA的存内计算形式。通过使用称为镍酸酶的酶来拓扑修改DNA链来实现计算。”

数据通过在特定位置镍切割的DNA分子的浓度随机地表示。随机过程随时间具有随机或概率动态,通过数学建模来研究过程的统计特性。可以分析不同结果的概率。

Ganguly表示,与电子存储和计算相比,DNA计算和存储使用的能量更少:“我们正处于大数据时代,这些数据需要被存储在某处。我们不认为更多的数据中心是答案,或者甚至是最好的答案。每个数据中心需要相当于一个市区街区的电力。建造、维护和操作更多传统数据中心是不可持续的。”

目前,DNA存储还很难取代电子存储媒介,如磁盘和固态驱动器,这些媒介具有毫秒级的数据访问速度,而DRAM和CPU/GPU计算的速度更快,达到微秒级或更快。

而读写DNA,即测序和合成DNA分子,速度很慢。这需要几个小时。Ganguly承认,使用生化反应进行计算比使用CPU或GPU慢几个数量级。