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人类正处于前所未有的信息爆炸时代。面对每天都会生成的海量数据，我们该如何处理？
这个问题并非无关紧要。从人们日常使用的计算机和智能设备，到汽车和机器人等先进技术设备，所有电子产品都在不断产生和使用数据，且数据量正在以指数级的速度增长。
5 年前，地球上所有数字产品每年产生的数据总量为 4.4 泽字节 (ZB)。每 ZB 相当于百万字节的 6 次方，是一个难以想象的巨大数字。如今，人类产生数据的速度早已超越了这个数字：现在全世界每年产生大约 16ZB 数据，并且仍在增长之中。
我们使用以硅（从沙子中提炼出来）为主要元素制成的微芯片来收集、处理和存储数据。虽然硅是地壳中含量第二丰富的元素，但高纯度硅（很多种计算机芯片的制造都需要这种硅）却很稀少，在硅供应总量中占比不足 10%。
而且，这种物质将很快消耗殆尽。一项研究表明，到 2040 年全世界所需硅晶圆的总质量将超过可供应硅资源的总量，这对新技术和数字化的发展构成了重大挑战。
解决这个挑战的方法之一是改进硅的提炼工艺。此外，研究人员正在寻找可用于数据处理和存储的替代材料，例如氮化镓 (GaN) 和石墨烯等。
除了上述材料， 脱氧核糖核酸 (DNA) 也带来了新的可能。
DNA 数据存储：来自大自然的数据处理器
世界上的每个生物自身都携带了某些信息。我们的头发颜色、眼睛颜色、惯用右手还是左手、易患的疾病，甚至可能我们的气质都被编码在遗传特质之中，而这些遗传特质来自基因。 基因由 DNA 组成，DNA 承载的信息决定了我们是谁，我们是什么。
分子形态的 DNA 为双螺旋结构，即两股分子（一股糖分子和一股磷酸盐分子）互相缠绕。这两股分子之间是含氮碱基，它们的形状类似于横杆，每个含氮碱基的化学成分各不相同。有四种碱基：
- 腺嘌呤 (A)
- 胸腺嘧啶 (T)
- 鸟嘌呤 (G)
- 胞嘧啶 (C)
如今人类已经了解了 DNA 的详细结构，以及 DNA 在人体内存储信息的方式。那么，DNA 是如何用于电子设备，帮助存储信息的呢？
美光科技高级研究员兼副总裁 Gurtej Sandhu 表示：“人体是最复杂的信息存储器。”Sandhu 在广泛的技术领域中拥有超过 1,300 项技术专利。他的个人兴趣和研究领域之一是使用 DNA 进行数据存储。
他说，他意识到人体中相当于单个细胞的 DNA 包含“大量”信息，由此得到启发。
“自然界以非常惊人的规模进行数据压缩，人类尚未完全了解这些数据压缩方式，”Sandhu 介绍道，“所以我就想，为什么我们不能将 DNA 作为介质用来存储信息呢？”
将数字化数据存储在 DNA 中具有诸多优势
随着科学家对 DNA 分子的认识越来越深入，并发现了多种合成 DNA 的方法，DNA 在数据存储领域的应用展现出巨大潜力。未来将出现一种名为核酸存储器 (NAM) 的新型存储技术，有望带来诸多优势。
密度：Sandhu 表示，一个人的 DNA 中存储着大量的信息。我们的身体包含 5TB（相当于 5 万亿字节）信息。Sandhu 认为，DNA 的数据存储密度远远高于如今已知的任何其他存储技术。
在一个系统下，1 克的 DNA 可存储 2.15 亿千兆字节的数据，重量不到一块方糖的 DNA 可存储世界上所有的电影。如果进一步增大体积，一个约两辆厢式货车大小的 DNA 容器可容纳世界上产生的所有数据。
Sandhu 表示，DNA 之所以有如此高的存储密度，其中一个原因是 DNA 有四种碱基（A、T、G 和 C），而计算系统目前使用的是基于 0 和 1 的二进制系统。这种倍增使存储的信息量呈“指数级增长”。NAM 存储器对分子中的信息进行编码，将信息打包成非常小的数据包。
耐久性： DNA 可保存很长时间 ——如果冷冻在永久冻土中，可保存 150 万年左右。作为数据存储介质，DNA 的使用寿命可长达数千年甚至数百万年。相比之下，常用的长期存储介质——磁带，在使用 10 年后就必须被更换。
可持续性：DNA（即使是用于 NAM 中的合成 DNA）在存储、处理和读取过程中所需的能耗非常低。DNA 自身能再生，因此完全可循环利用。此外，它还能轻松复制出大量自身的副本，从而创造出近乎无限的 DNA 数字化数据存储空间。
2016 年，Sandhu 以及 George M. Church、Victor Zhirnov 等研究人员在《Nature Materials》期刊发表了一篇详细讲述其研究结果的文章，他们在文章中写道：“NAM 可为子孙后代存储这个世界上的信息，而且这种存储所需的空间和能耗远远少于现在的存储技术。”
DNA 存储技术的长期潜力
研究人员正在探索如何利用 DNA。首先，他们希望将 DNA 作为一种长期存储技术，用于存储病历、监控视频、历史文献及其他档案资料。
相对少量的 NAM 即可取代磁带所用的陈旧方法（填充大量数据库），而且更加持久耐用。最终，他们希望开发的 NAM 技术能够完全取代计算机中硅的使用。
实现这个目标的主要障碍是成本。
Sandhu 表示：“要使用 DNA 读取、写入、封装和存储数据，需要大幅降低成本。” 在某一个项目中，合成 2MB 数据的成本是 7,000 美元，而读取数据又需要 2,000 美元。而且，在 DNA 中读取和写入数据的速度慢于其他类型的存储技术。
Sandhu 对此持乐观态度，他认为，假以时日，这些难题将会得到解决。他指出，DNA 测序的费用已大幅下降，从 2002 年的 31,250 美元/兆碱基（即 100 万对 DNA 碱基）下降至 2024 年的仅 50 美分/兆碱基。
而且，对 NAM 的研究也在加快步伐。在资金支持下，哈佛大学、欧洲分子生物学实验室和半导体研究联盟（又称为 Symbio）等研究小组正在开发基于 DNA 的数据存储技术。
DNA 数据存储前景光明
如果计算机等级的硅现在消耗殆尽，可能会使世界陷入停滞。鉴于我们产生数据的速度，耗尽世界上的硅供应是一个切实的令人堪忧的问题；好消息是，美光科技正在加快步伐应对这一挑战。作为一家领先的计算机内存技术制造商，我们处于一个非常有利的位置，可以引领业界开发更好、更快、更加可持续的数字内存解决方案。
Sandhu 认为，基于 DNA 的 NAM 有可能很快会成为美光 DRAM、NAND 以及其他基于硅的内存技术的补充。有朝一日，这种存储可能会变得十分普遍，完全取代硅芯片。
与此同时，开发 NAM 的过程可能会取得其他同样重要的成果，Sandhu 说道：
“设想 100 年前的内存，那时使用的是磁芯，后来使用电子存储器、磁盘、小型磁存储器等。对于这些存储器，我们需要掌握机械方面的知识。
DNA 比这些存储技术复杂 10 倍。我们需要具备多方面的知识，包括内存、微流控、化学、分子生物学等方面。为了使这种技术发挥作用，需要由不同领域的人才开展广泛、紧密的技术与科学合作。要做到这一点，需要有完备的技能。”
美光是一家内存制造商，因此，我们在想象和创造新的内存技术方面处于行业领先地位。但要使 DNA 数据存储等技术成为现实，需要不同领域的专家通力合作。
“无论在我们行业还是任何其他行业，还未有这样的范例，”Sandhu 表示，“这将是一次绝好的合作机会。而我们尚处于初步阶段，有待进一步深入探究。”