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科技前沿:怎样用DNA存储信息?

疫情以来,芯片行业一个最受关注的话题就是“缺芯”。缺芯状况持续了两年,各种元器件的价格不断水涨船高,芯片似乎成了一个躺着也能挣到钱的行业。不过,从今年上半年起,芯片的涨价潮在逐渐冷却。

芯片巨头和行业研究机构最近纷纷表示,这一轮芯片景气周期即将结束。比如台积电的总裁就在10月13号的三季度投资人会议中指出,芯片行业在2023年极有可能进入衰退周期。著名的行业研究机构Gartner也预测,全球芯片行业在2023年可能迎来负增长。

事实上,除了部分汽车芯片,大部分芯片的价格已经开始掉头向下。特别是存储芯片,可以说是真正感受到了行业周期的威力。你现在去电商平台,会发现很多固态硬盘的价格已经腰斩,跌倒了0.5元/GB。三星、镁光等芯片企业也都宣布,准备在2023年减产存储芯片。英特尔更是在10月16号宣布,旗下的傲腾系列存储芯片将逐步停产。

这个傲腾系列存储芯片,很多人可能都没听说过,这是英特尔在2017年开始主推的一个高速存储产品系列。它配置的不是普通的固态硬盘,而是英特尔自主研发的一种存储介质,叫做“3D XPoint”,号称拥有更高的读写速度和稳定性。

要知道,傲腾系列是英特尔拿最先进的技术押注的产品,前后投入了不下几十亿美元,英特尔本来打算用它来革固态存储市场的命。没想到,这款产品并没有达到预期效果,这次英特尔宣布停产,更是直接给傲腾系列判了死刑。相应地,英特尔在财报里计入了5亿多美元的减值,并且在今年二季度财报中出现了30年以来的首次季度亏损。

至于傲腾系列为什么会失败,有人说是产品定位不明确,有人说是技术路线不成熟,也有人说是行业周期成了压垮它的最后一根稻草,等等,这里就不展开了。

我想说的是,不同技术路线之间的竞争,以及残酷的市场淘汰,这其实是半导体产业发展过程中的常态。也正因为这种持续的竞争和淘汰,才让如今的市场上充满了各种物美价廉的电子元器件。对此,科学家和工程师们早有心理准备,在一些技术路线被淘汰的同时,一些新的技术路线正在涌现。

比如,就在英特尔宣布停产傲腾系列的前后脚,日本东京大学在《自然》杂志上发表了一项DNA存储技术的新进展。

说起DNA存储技术,可能很多人还都比较陌生。在得到站内李腾老师的合成生物学课程中,对这种技术有比较详细的介绍。它是仿照地球上生物存储基因数据的方式,用DNA螺旋上一对对的碱基序列来存储信息。这种技术的主要优势是,存储的信息密度非常大,地球上迄今为止的所有数据,如果都使用这种方式来保存,只需要一公斤左右的DNA物质。

不过,目前DNA存储技术还处在早期探索阶段,还有一系列需要解决的问题。比如,我们现在的确可以通过一些生物化学方法,把数据用碱基序列存储下来,但是,如何准确、快速地从一团乱麻的DNA物质中定位、读取这些数据,到现在连技术路线都不明确,更别说具体的操作了。

这次东京大学的科学家们发表的研究,就是对解决这个问题的一次新尝试。研究人员提出了一种新技术,叫做“基于生物酶的人工神经网络”。别看名字里面有“神经网络”四个字,这种技术并不是真的把DNA数据输入到电脑的神经网络里面进行计算,而是仿照神经网络的多层结构,用化学的方法来定位、标记出特定物质。

你知道,所谓神经网络算法,其实就是一层一层的加减乘除和函数运算。要用化学方法来模拟神经网络算法的计算过程,研究人员需要三样东西,分别是:数据载体、算法载体、运算平台。

数据载体,就是试管里面的DNA物质。

算法载体,就是生物酶。研究人员利用三种生物酶,它们各自的作用是:产生、剪切、降解DNA物质。这三种酶可以理解成类似加减乘除这些算法的对应载体,用它们来一层一层地筛选DNA物质。

运算平台,是一种生物芯片。将DNA物质涂敷在芯片上,进而利用生物酶来跟DNA物质产生反应,通过显微镜来观察反应的结果。这就好比是一台模拟计算机,在运算这个生物酶的神经网络算法。

通过这种方式,研究人员成功地从大量DNA样品中定位了一些物质片段。研究人员表示,下一步,他们将尝试用这种方法,计算存储了真实数据的DNA,比如图片数据、声音数据等等。

当然,这种基于DNA存储路线的数据提取方法还处在非常早期的阶段,还有很多难题没有攻克。甚至,DNA物质是否真正适合除了生物之外的数据存储场景,也有待讨论。

对芯片产业来说,每次新的技术路线突破,就好像是一个生物种群产生了新的基因突变,这种突变是被自然的剪刀裁掉,还是保留下来成为种群演进的方向,我们不得而知。但没有突变,进化就不可能发生。

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