近日，研究人员开发出一种新技术，能够在 DNA 中存储PB级数据，且能将其保存数千年甚至数百万年，而该系统还能处理数据，例如解决数独难题。那么什么是DNA存储，它有哪些技术特点，这种新型的存储形式在未来又有哪些发展趋势？
起源：生命密码开启未来存储
DNA，即脱氧核糖核酸，是生命的遗传物质。它携带了生物的遗传信息，以一种极其稳定和高效的方式存储着生命的蓝图。然而，科学家们逐渐意识到，DNA不仅仅是生命的密码，还可能成为未来数据存储的一种全新方式。
1959 年，天才物理学家、诺贝尔奖得主费曼提出 DNA 可以作为信息存储的假设，这可以看作是对 DNA 存储技术的一种理论层面的早期思考与探索，为后续相关研究奠定了一定的理论基础。
发展历程：从理论到现实的跨越
早期探索阶段
初期，科学家们主要进行理论研究和可行性分析，探讨了DNA 作为存储介质的潜在优势和挑战，为后续的研究奠定了基础。
1988年是一个具有标志性的年份。在这一年，哈佛大学的乔・戴维斯（Joe Davis）与研究人员合作，第一次设计并合成了一个包含 18 个核苷酸的 DNA 片段，并把它转移到大肠杆菌之中，这是首次真正意义上的 DNA 存储技术的实践尝试，虽然还处于非常初级的阶段，但开启了 DNA 存储技术的研究大门。
技术突破阶段
2012年，哈佛大学用DNA存储一本五万字的图书，欧洲生物信息研究所在通过DNA存储了莎士比亚十四行诗及马丁·路德·金的演讲《我有一个梦想》的录音带。随着生物技术的不断发展，DNA 存储的概念逐渐从理论走向实践。
随着生物技术的进步，特别是基因测序和合成技术的发展，DNA 存储技术取得了重大突破。研究人员成功地将数字信息编码到 DNA 序列中，并实现了信息的读取和恢复。
应用拓展阶段
近年来，DNA 存储技术开始在一些领域进行应用探索。例如，在档案存储、数据备份等方面展现出了巨大的潜力。
近两年，科学家们利用DNA存储技术成功将敦煌壁画的信息存入DNA 中。天津大学的合成生物学团队创新DNA存储算法，设计编码了一定容量的敦煌壁画，合成了承载图片信息的DNA 片段。通过加速老化实验验证，这些壁画信息在实验室常温下可保存千年，在9.4℃下可保存两万年。这一成果对于保护面临老化破损危机的人类文化遗产具有重要意义，让珍贵的敦煌壁画信息能够以一种新的、更长久的方式保存下来。
这是什么原理呢？
DNA 这种双螺旋结构上有 4 个化学基团（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶），按照特定顺序排列组成遗传信息。研究人员将敦煌壁画的数据信息通过编码转到这些碱基中，将其转化为二进制数据来实现信息的存储，再配合各种算法便可以实现数据的存储与读取。
技术特点
与其他存储技术相比，DNA存储技术的优缺点：
存储密度高
DNA 独特的双螺旋结构使其存储密度远远超过其他存储技术。据估算，每立方厘米的 DNA 分子可以存储大约 1EB 的信息，是当前存储密度最高的介质（闪存）的 1000 倍，是硬盘数据存储密度的百万倍。这意味着少量的 DNA 就可以存储海量的数据，对于未来数据量的爆发式增长具有重要意义。
保存寿命长
在合适的条件下，DNA 可以持续存在数十万年甚至更长时间。相比之下，传统的存储介质如硬盘、磁带等，其存储寿命通常在 10 年左右就会开始下降，需要定期更换或迁移数据。对于需要长期保存的数据，如历史档案、重要文献等，DNA 存储具有明显的优势。
维护成本较低
DNA 存储对环境的要求相对较低，通过低温冷冻或者固态封存等手段，可以长时间存储且几乎不需要维护。而传统的数据中心需要耗费大量的能源用于设备的运行和散热，维护成本较高。
低能耗
读取 DNA 数据的能耗远远小于传统的存储技术。在当前对能源效率要求越来越高的背景下，这一优势具有重要的意义，有助于降低数据存储的能源消耗。与传统的电子存储设备相比，DNA 存储的能耗极低，符合未来绿色存储的发展趋势。
数据易复制
可以利用生物技术如聚合酶链反应（PCR）等技术，轻松地对 DNA 数据进行复制和扩增，从而实现数据的快速备份和传播。
抗干扰能力强
DNA 对于外部环境中的高温、震荡等因素具有较强的抗干扰能力，能够在恶劣的环境下保持数据的稳定性。
同时也伴随的技术缺陷与挑战：
读写速度相对较慢
当前 DNA 存储技术的数据写入需要进行 DNA 合成，读取需要进行 DNA 测序，这两种技术的处理效率相对较低，远远无法满足日常数据读写的速度要求。例如，目前在实验室中合成和读取少量的 DNA 数据都需要较长的时间，更不用说大规模的数据存储和读取了。
读写成本高
DNA 数据读写需要使用专用的设备和试剂，这些设备的造价非常昂贵，导致数据读写的成本居高不下。目前 DNA 存储技术还处于研发阶段，距离大规模商业化应用还有一定的距离，成本问题是制约其发展的重要因素之一。
数据准确性有待提高
在 DNA 合成和测序的过程中，可能会出现碱基的错配、缺失或插入等错误，影响数据的准确性。虽然可以通过加入纠错码等方式来提高数据的准确性，但这也会增加数据存储的复杂性和成本。
安全风险问题
DNA 存储的数据具有很高的隐蔽性，如果被不法分子利用，可能会带来严重的数据安全问题。例如，存储在 DNA 中的敏感信息可能会被未经授权的人员获取和解读，对个人隐私和国家安全构成威胁。
应用现状与未来趋势
医疗领域：DNA 存储可以用于存储患者的医疗记录、基因信息等。这将有助于医生更好地了解患者的病情，制定个性化的治疗方案。
档案存储：一些机构开始尝试使用DNA 存储重要的档案资料，以确保其长期保存和安全性。
科学研究：在生物医学等领域，DNA 存储为大规模数据的存储和分析提供了新的解决方案。
文化遗产保护：对于珍贵的文化遗产，如古籍、艺术品等，可以通过DNA 存储技术进行数字化保存，确保其能够长久传承。
人工智能领域：在新兴技术发展的助推下，企业对海量数据的存储需求将不断增加。DNA 存储有望成为满足这一需求的重要手段，为人工智能和大数据等领域的发展提供强大支持。
特殊场景应用：例如在太空探索等极端环境下，DNA 存储的稳定性和低能耗优势更加凸显。
未来，人们可能会将自己的重要数据，如照片、视频、文档等存储在DNA 中。这种个性化的存储方式将为人们提供更加安全、便捷的数据管理方式。随着研究的不断深入，DNA 存储技术将不断优化，提高存储效率和读取速度。DNA 存储的成本将逐渐降低，使其更具竞争力。同时，DNA 存储有望与人工智能、量子计算等前沿技术融合，创造出更加先进的存储解决方案。
DNA 存储作为一种新兴的存储技术，具有超高存储密度、长期稳定性和低能耗等独特优势。虽然目前仍处于发展的初期阶段，但已在档案存储、科学研究等领域初露锋芒。DNA 存储有望成为主流的存储方式之一，为人类的数据存储带来革命性的变化。
在即将举办的2024 中国数据与存储峰会上，我们也将探讨有关 DNA 存储相关话题，更多热点话题，敬请期待。www.datastoragesummit.com
