Ученые создали прототип ДНК-кассеты для хранения данных на века

Исследователи из Южного университета науки и технологий (SUSTech) и Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае разработали ДНК-кассетный накопитель, который функционирует именно так, как можно было бы ожидать. Экспериментальная установка, описанная в журнале Science Advances 12 сентября, представляет собой первый рабочий прототип, сочетающий хранение данных на ДНК с физическим носителем на основе ленты и компактным накопителем с возможностью поиска — остроумную попытку объединить долговечность ДНК с масштабируемостью старых ленточных библиотек.

Данные кодируются в синтетические цепочки ДНК, записываются на рулон гибкой пленки и хранятся в картридже, который можно загружать, прокручивать и адресовать, как магнитную ленту. Теоретически это обеспечивает плотность хранения в петабайты на метр и срок службы в несколько столетий. Однако, когда систему проверили в ходе экспериментов, она смогла записать лишь один файл размером 156,6 КБ, причем каждый цикл чтения-записи занимал почти час.

Сама лента представляет собой полиэстер-нейлоновую полосу шириной 3,5 мм с нанесенными высокоплотными штрих-кодами, которые служат физическими адресами файлов. Исследователи напечатали 5000 таких «дорожек» на 9-метровой петле, создав индивидуально доступные зоны для размещения ДНК-полезной нагрузки. В принципе, формат масштабируется до более чем полумиллиона адресуемых разделов на километр, и при полной плотности, по словам команды, каждый из них может хранить более половины терабайта полезных данных. Если произвести расчеты, это 362 петабайта на километр.

Разумеется, важнее то, что на самом деле может делать прототип. Чтобы проверить полный цикл записи-чтения-перезаписи, команда закодировала пять небольших файлов в ДНК. Они были нанесены на ленту с помощью встроенной системы жидкостной обработки, затем восстановлены с помощью секвенирования, удалены и перезаписаны. Весь цикл выполнялся автоматически в накопителе размером с ланч-бокс, оснащенном моторами для протяжки ленты, микроконтроллером и оптическим считывателем штрих-кодов.

Считывание происходило мучительно медленно. Тестовый файл, восстановленный в демонстрации, составлял всего 156,6 КБ и занял примерно 25 минут на извлечение и обработку. Перезапись этих данных заняла еще 50 минут. Хотя команда оценивает, что они могли бы осуществлять поиск по 1570 различным дорожкам в секунду, этапы секвенирования и синтеза на порядки медленнее. Таким образом, хотя вы можете прокручивать катушку, как картридж LTO, и мгновенно находить место, где должен быть файл, фактическая пропускная способность ограничена.

Однако в плане долговечности ДНК-лента показывает себя гораздо лучше. Каждая полезная нагрузка заключена в оболочку из цеолитной имидазолатной структуры (ZIF), которая защищает ее от воды, УФ-излучения и окисления. Эту оболочку можно снять и нанести заново за несколько минут без видимого повреждения ДНК. На основе тестов на ускоренное старение исследователи оценивают срок хранения более 300 лет при комнатной температуре и десятки тысяч лет в условиях холодного хранения.

«Энергонезависимая память на основе полупроводников достигла пределов закона Мура, и необходимы новые носители для хранения невероятно больших объемов данных», — написали исследователи в своей статье, в конечном итоге признав, что синтез ДНК остается непреодолимым препятствием для коммерческого масштабирования их проекта.

ИИ: Технология выглядит футуристично и многообещающе для архивного хранения, но текущие скорости чтения/записи делают её абсолютно непрактичной для повседневного использования. Интересно, смогут ли учёные в будущем преодолеть эти ограничения.