比爾蓋茨有張極具意義并奉為經(jīng)典的照片。1994年38歲的比爾蓋茨坐在33萬(wàn)張紙上，手中拿著一張光盤(pán)告訴全世界：一張光盤(pán)能記錄的內(nèi)容，比這里33萬(wàn)張紙上的信息都多，自此開(kāi)啟光盤(pán)存儲(chǔ)新時(shí)代。

?“未來(lái)5-15年，中國(guó)科學(xué)家將在數(shù)據(jù)中心，手中拿著一管DNA告訴全世界，這里面記錄的是當(dāng)前全世界的數(shù)據(jù)”！去年9月“海上院士講壇”上中國(guó)科學(xué)院院士樊春海對(duì)未來(lái)DNA存儲(chǔ)技術(shù)的前景作出預(yù)判。

僅僅過(guò)了幾個(gè)月，中國(guó)科學(xué)家就在DNA存儲(chǔ)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破！日前，東南大學(xué)師生團(tuán)隊(duì)成功將校訓(xùn)“止于至善”存入一段DNA序列，實(shí)現(xiàn)了DNA存儲(chǔ)技術(shù)的新突破，并將相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。

該研究團(tuán)隊(duì)帶頭人劉宏教授對(duì)外表示：“我們的重要突破點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了DNA合成與測(cè)序環(huán)節(jié)的一體化，實(shí)現(xiàn)一體化后，DNA存儲(chǔ)的效率和準(zhǔn)確性會(huì)提高，更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”。

01

一克DNA存下全球信息

什么是DNA存儲(chǔ)？人們?yōu)楹渭庇趯ふ倚碌臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)？

眾所周知，目前計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都是依據(jù)電壓的高和低代表0和1來(lái)表示的，DNA存儲(chǔ)則是把原本這些用0和1來(lái)表示的內(nèi)容換成用堿基：A，C，G，T來(lái)表示，簡(jiǎn)而言之就是用遺傳代碼替代計(jì)算機(jī)代碼，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字信號(hào)到化學(xué)信號(hào)的過(guò)程，被稱(chēng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終極技術(shù)！

“DNA是一種序列確定的生物大分子。DNA存儲(chǔ)技術(shù)就是將生物DNA分子進(jìn)行編碼，從而在DNA序列上存儲(chǔ)信息?！睎|南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏教授介紹。

DNA攜帶有合成RNA和蛋白質(zhì)所必需的遺傳信息，是生物體發(fā)育和正常運(yùn)作必不可少的生物大分子。存儲(chǔ)模式DNA這種雙螺旋結(jié)構(gòu)上有4個(gè)化學(xué)基團(tuán)，即核堿基，每種堿基都有一個(gè)字母標(biāo)識(shí)：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥(niǎo)嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。它們按照特定順序排列，組成遺傳信息，指導(dǎo)生物體生長(zhǎng)發(fā)育。

研究人員開(kāi)發(fā)的DNA數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)利用這4個(gè)堿基“字母”，開(kāi)發(fā)定制代碼，核堿基可以看做是編程代碼0,1，組成完全區(qū)別于生物體所用“語(yǔ)言”。當(dāng)復(fù)制一份計(jì)算機(jī)文件時(shí)，DNA數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)首先把硬盤(pán)信息中的二進(jìn)制數(shù)翻譯成定制代碼，然后借助標(biāo)準(zhǔn)DNA合成機(jī)器制造出相應(yīng)的堿基序列。所以，DNA存儲(chǔ)技術(shù)就是用人工合成的脫氧核糖核酸（DNA）存儲(chǔ)文本文檔、圖片和聲音文件等數(shù)據(jù)，隨后完整讀取的技術(shù)。

那么研究DNA存儲(chǔ)，用遺傳代碼替代計(jì)算機(jī)代碼對(duì)于我們而言有何意義？

隨著使用網(wǎng)絡(luò)的人們?cè)絹?lái)越多，網(wǎng)絡(luò)中上傳和使用的短視頻、圖片、郵件等數(shù)據(jù)也呈幾何倍增加。分析公司 Domo 公布的數(shù)據(jù)顯示，2021年全球人均每秒將創(chuàng)造約 1.7 兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設(shè)世界人口為 78 億，一年可創(chuàng)建約 418 ZB（4180億個(gè)1TB硬盤(pán)的信息價(jià)值）。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)的不斷落地，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)超載所造成的存儲(chǔ)問(wèn)題將越來(lái)越凸顯。

那么將DNA作為存儲(chǔ)介質(zhì)究竟有哪些優(yōu)勢(shì)？劉宏教授表示：“一是信息密度高，據(jù)微軟研究院此前估計(jì)，1立方毫米的DNA就能夠存儲(chǔ)1個(gè)EB（Exabyte，百億億字節(jié)）的數(shù)據(jù)；二是存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性強(qiáng)，在合適的條件下，可以存儲(chǔ)上萬(wàn)年；三是存儲(chǔ)能耗很低”。

由于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)磁盤(pán)和光盤(pán)不同，因此DNA的存儲(chǔ)密度極高，1克的DNA就能夠存下天量的信息，不再需要成千上萬(wàn)個(gè)阿里巴巴、騰訊、亞馬遜這樣的數(shù)據(jù)中心對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。因此“十四五”規(guī)劃綱要進(jìn)一步將DNA存儲(chǔ)提升至重要的地位。

“十四五”規(guī)劃綱要提出，加快布局量子計(jì)算、量子通信、神經(jīng)芯片、DNA存儲(chǔ)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。對(duì)此中國(guó)科學(xué)院院士樊春海認(rèn)為：“DNA存儲(chǔ)與量子計(jì)算、量子通信同時(shí)寫(xiě)入國(guó)家頂層設(shè)計(jì)，將對(duì)后續(xù)深入的技術(shù)研究、加快技術(shù)轉(zhuǎn)化帶來(lái)積極影響”。

02

各國(guó)巨頭提前布局

在全球數(shù)據(jù)信息總量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的背景下，DNA 存儲(chǔ)技術(shù)也已引起多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的重視。目前美國(guó)是進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃布局最多的國(guó)家，涵蓋了從數(shù)據(jù)“寫(xiě)入”到“讀取”的多個(gè)技術(shù)過(guò)程。

早在2017年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局就啟動(dòng)了分析信息學(xué)計(jì)劃，并為哈佛大學(xué)、布朗大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)和華盛頓大學(xué)提供了約1,500萬(wàn)美金的資助，用于研究和利用各種分子的結(jié)構(gòu)特征和特性來(lái)編碼和處理數(shù)據(jù)。第二年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）投入1,200萬(wàn)美元資助包括基于DNA的可讀取電子存儲(chǔ)器、使用嵌合DNA的納米級(jí)芯片存儲(chǔ)系統(tǒng)、基于納米孔讀取的高度可擴(kuò)展隨機(jī)訪問(wèn)DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、核酸內(nèi)存在內(nèi)的8個(gè)研究項(xiàng)目。

2019年以來(lái)，美國(guó)對(duì)DNA存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)抓緊布局，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在推動(dòng)科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究戰(zhàn)略中明確提出重點(diǎn)關(guān)注基于分子信息學(xué)的新計(jì)算方法并表示將在更廣泛領(lǐng)域探索除DNA分子外更多的數(shù)據(jù)編碼處理新方法。

除了政府和高校外，企業(yè)巨頭也早早加入DNA存儲(chǔ)研究當(dāng)中。2016年微軟與華盛頓大學(xué)合作提出了基于DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)體系架構(gòu)——鍵值存儲(chǔ)，同時(shí)進(jìn)一步形成了新的編碼方案。兩年后，微軟與華盛頓大學(xué)合作創(chuàng)建了一個(gè)大型現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)，在分子鏈上存儲(chǔ)了破紀(jì)錄的200MB數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了令人驚嘆的存儲(chǔ)量。在此基礎(chǔ)上，2019年微軟與華盛頓大學(xué)的研究出能夠在DNA中存儲(chǔ)1,000MB數(shù)據(jù)，不僅存儲(chǔ)量翻了幾倍而且實(shí)現(xiàn)了從存儲(chǔ)到提取信息的重大突破。

此外，瑞士、德國(guó)、日本、澳大利亞等科技發(fā)達(dá)國(guó)家也對(duì)相關(guān)研發(fā)進(jìn)行了資助，并提升了對(duì)合成生物學(xué)領(lǐng)域的重視程度。

作為數(shù)據(jù)大國(guó)，我國(guó)更是對(duì)DNA存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)工作給與高度重視。2018年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中，合成生物重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)共有36個(gè)，總經(jīng)費(fèi)將近7.98億元，并專(zhuān)門(mén)設(shè)立了與DNA存儲(chǔ)技術(shù)相關(guān)項(xiàng)目。此外還由南方科技大學(xué)牽頭，上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、福州大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合申報(bào)了“使用合成DNA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)目。

本次實(shí)現(xiàn)DNA存儲(chǔ)技術(shù)突破的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自于東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。談及研究初衷，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉宏教授表示：“東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，一直從事生物電子方面的研究，近年來(lái)該領(lǐng)域迎來(lái)一個(gè)新的研究方向——DNA存儲(chǔ)，于是我們?cè)谝荒昵伴_(kāi)始了這項(xiàng)研究。更重要的是，這項(xiàng)研究有助于解決大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)難題”。

出生于1983年的劉宏是東南大學(xué)青年首席教授，并入選了國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國(guó)家“青年千人”，研究方向是電化學(xué)、微流控芯片、傳感器以及現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)（POCT）?；谧陨黼娀瘜W(xué)背景，劉宏團(tuán)隊(duì)在DNA存儲(chǔ)研究中改進(jìn)傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，運(yùn)用電化學(xué)方法，將東南大學(xué)校訓(xùn)“止于至善”4個(gè)字“翻譯”為DNA序列，并將其存儲(chǔ)在電極上，隨后又成功讀取出來(lái)。

此外，特別值得一提的是，國(guó)內(nèi)也有巨頭企業(yè)提前布局DNA存儲(chǔ)技術(shù)，那就是華為。2019年，華為宣布成立戰(zhàn)略研究院，表示主要研發(fā)前沿技術(shù)，比如光計(jì)算、DNA存儲(chǔ)及原子制造。在華為全球分析師大會(huì)上，華為董事、戰(zhàn)略研究院院長(zhǎng)徐文偉表示：“將要借助DNA存儲(chǔ)來(lái)突破超大存儲(chǔ)空間模型和編碼技術(shù)，打破容量墻”。

03

資本著手開(kāi)始布局

雖然DNA存儲(chǔ)技術(shù)目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，存在合成成本高、合成速度慢、數(shù)據(jù)讀取無(wú)法實(shí)時(shí)等缺陷，并且想要解決這些問(wèn)題需要突破大量技術(shù)環(huán)節(jié)，但資本市場(chǎng)卻開(kāi)始看好這一未來(lái)技術(shù)，并且已經(jīng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始在這個(gè)賽道著手布局。

奇績(jī)創(chuàng)壇創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官陸奇對(duì)于數(shù)字化未來(lái)發(fā)表個(gè)人觀點(diǎn)，他強(qiáng)調(diào)道：“當(dāng)前的數(shù)字化方式并非一成不變，比如信息表達(dá)，可以用非符號(hào)的方式?，F(xiàn)在的人工智能都是以深度學(xué)習(xí)為主，而深度學(xué)習(xí)某種意義上就是一種非符號(hào)的表達(dá)，它是用重疊向量來(lái)表達(dá)信息的。而信息也不一定要存儲(chǔ)在磁盤(pán)或硬盤(pán)上。今天在科學(xué)界不停探究的是用合成DNA基因來(lái)存儲(chǔ)信息，信息的密度會(huì)大規(guī)模地提高。同理，處理信息也不一定要在硅晶片上，可以用其他運(yùn)算基礎(chǔ)，比方說(shuō)量子計(jì)算，就是一個(gè)完全不同的、效益高得多的信息處理方式”。

去年，奇績(jī)創(chuàng)壇作為天使投資人投資了一家DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)商——密碼子。該公司以DNA存儲(chǔ)設(shè)備為核心，深度融合行業(yè)級(jí)軟硬件、搭建冷熱數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)架構(gòu)，逐步建立DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步從檔案數(shù)據(jù)、政府?dāng)?shù)據(jù)、醫(yī)療數(shù)據(jù)、自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)等市場(chǎng)切入，擴(kuò)展至各個(gè)數(shù)字化相關(guān)的行業(yè)。今年1月，該公司完成了數(shù)千萬(wàn)Pre-A輪融資，投資方位凱泰資本、磐霖資本、王道資本以及中關(guān)村創(chuàng)業(yè)大街資本。

此外，去年5月峰瑞資本和嘉程資本投資了三代DNA合成技術(shù)研發(fā)商——芯宿科技。3個(gè)月后DNA 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)企業(yè)中科碳元完成了由英諾天使基金領(lǐng)投，中科天使、常見(jiàn)投資、沸騰創(chuàng)投跟投的數(shù)千萬(wàn)元天使輪融資。

基因組學(xué)解決方案提供商聯(lián)川生物也在去年完成1億元C輪融資用以探索基因合成在DNA存儲(chǔ)、工程菌改造、抗體新藥開(kāi)發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。投資方為華睿投資、海邦投資、錦聚投資以及海越投資。三輪累計(jì)融資2.786億元。

對(duì)于DNA存儲(chǔ)的投資機(jī)會(huì)，密碼子創(chuàng)始人張璐帥博士告訴記者：“從商業(yè)角度看，當(dāng)下主流存儲(chǔ)器，比如硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)、光盤(pán)等材料占了很大一部分成本。DNA本身作為生物分子可以輕易獲取，只是目前大部分DNA存儲(chǔ)技術(shù)依賴(lài)于昂貴的工藝，成本很高。密碼子的技術(shù)突破對(duì)昂貴工藝的依賴(lài)。此外，從大數(shù)據(jù)可持續(xù)發(fā)展角度看，DNA存儲(chǔ)可以緩解數(shù)據(jù)中心對(duì)用電的高需求，以及廢棄電子器件對(duì)環(huán)境造成的巨大負(fù)擔(dān)”。

“對(duì)于想進(jìn)入DNA存儲(chǔ)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)業(yè)或者投資的人而言，我個(gè)人十分看好冷熱數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)這個(gè)方向。DNA存儲(chǔ)目前以冷數(shù)據(jù)為主逐漸向溫?cái)?shù)據(jù)過(guò)渡，最終以冷熱數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)一體架構(gòu)滿足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的需求”，張璐帥博士補(bǔ)充道。

去年“海上院士講壇”上，元禾原點(diǎn)創(chuàng)投公司合伙人胡曉方博士對(duì)于DNA存儲(chǔ)的投資機(jī)遇和市場(chǎng)潛力表示：“信息技術(shù)和生物技術(shù)兩大支柱產(chǎn)業(yè)，他們之間的交融蘊(yùn)藏著巨大的投資機(jī)會(huì)。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，DNA存儲(chǔ)絕對(duì)擁有巨大的市場(chǎng)需求，一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的市場(chǎng)需求”。

胡曉方坦言：“DNA存儲(chǔ)同樣存在著巨大的投資機(jī)會(huì)，微軟、華為已經(jīng)率先涉足。在國(guó)外，這個(gè)領(lǐng)域每一個(gè)微小的技術(shù)進(jìn)步和突破都會(huì)獲得風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)的投資。在國(guó)內(nèi)，今年已經(jīng)有很多風(fēng)投在關(guān)注這一領(lǐng)域。從技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)投資角度而言，中國(guó)已經(jīng)站在世界的前沿，中國(guó)的風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)也隨之進(jìn)入全新的時(shí)代——愿意投資前沿的底層技術(shù)，并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間大規(guī)模的孵化的時(shí)代”。