每經(jīng)記者 梁宏亮    每經(jīng)編輯 冷雪婷

你還記得嗎？

1994年，比爾蓋茨坐在33萬(wàn)紙上，對(duì)全世界發(fā)布，我們現(xiàn)在有了“光盤”。一張光盤能夠記錄的內(nèi)容，也就33萬(wàn)張紙，這在當(dāng)時(shí)來(lái)講應(yīng)該是非常具有震撼性的廣告效應(yīng)，也就是我們電子存儲(chǔ)是具有如此強(qiáng)大的能力。

你發(fā)現(xiàn)了嗎？

身處在信息爆炸的時(shí)代，人類每時(shí)每刻都在產(chǎn)生著海量數(shù)據(jù)信息。為了存儲(chǔ)它們，我們現(xiàn)在到處都在建設(shè)數(shù)據(jù)中心。這些數(shù)據(jù)中心要在靠近山邊、水邊的地方，占用了大量的土地和能源。

你會(huì)相信嗎？

未來(lái)有一天，我們有可能拿著一管DNA說(shuō)：“看，我們這里面存儲(chǔ)著全世界的所有數(shù)據(jù)！”

交大安泰EMBA20周年之際，每日經(jīng)濟(jì)新聞聯(lián)合上海交通大學(xué)安泰經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，聯(lián)合推出“我的商學(xué)之路·我的遠(yuǎn)見”系列策劃。

在交大安泰EMBA20周年暨安泰視界年度峰會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院院長(zhǎng)樊春海給我們講述了一個(gè)關(guān)于用DNA存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)的神奇故事，描繪了一個(gè)生物技術(shù)與信息技術(shù)交融發(fā)展的美好未來(lái)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要一場(chǎng)“綠色革命”

從原始人的結(jié)繩記事，到造紙術(shù)，再到電子信息時(shí)代的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，信息存儲(chǔ)方式的變革，從一個(gè)角度反映了人類社會(huì)的文明發(fā)展史。

信息時(shí)代來(lái)臨時(shí)，我們?cè)嘈牛弘娮有畔?lái)存儲(chǔ)，似乎解決了所有存儲(chǔ)問(wèn)題。然而，當(dāng)我們真正進(jìn)入一個(gè)數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，我們逐漸發(fā)現(xiàn)：僅憑電子信息來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足不了我們的需求了。

樊春海院士告訴了我們一組數(shù)據(jù)：2020年全世界的數(shù)據(jù)是44個(gè)ZB（440萬(wàn)億億字節(jié)）。“把這些數(shù)據(jù)存下來(lái)，光耗的電就是一個(gè)三峽大壩所產(chǎn)生的電。這個(gè)數(shù)據(jù)還在不斷增長(zhǎng)，到2025年預(yù)計(jì)是175ZB，而且里面80%-90%是很少被調(diào)用的冷數(shù)據(jù)。”

這些所謂冷數(shù)據(jù)，就是像圖書館的圖書一樣，我們需要把它存在那兒，不能讓它毀滅?？墒?，日常工作生活中我們又很少去用它，一年可能都用不上一次。存儲(chǔ)它們不僅需要耗能、占地，而且由于數(shù)據(jù)電子存儲(chǔ)的壽命只有十年到幾十年，時(shí)間到了就需要重新更新迭代一次。

所以，在這種情境下，信息存儲(chǔ)越來(lái)越成為一個(gè)重大的國(guó)家戰(zhàn)略級(jí)的需求。不僅存儲(chǔ)消耗能源巨大，傳輸也越來(lái)越成為一個(gè)問(wèn)題。

“1969年阿波羅登月計(jì)劃的時(shí)候，當(dāng)時(shí)存儲(chǔ)介質(zhì)是紙，也就是1人高這么多的數(shù)據(jù)，”樊春海院士舉例對(duì)比：“到2019年，我們可能都知道人類第一次觀察到了黑洞，把黑洞的圖片傳回來(lái)，存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)的硬盤加起來(lái)有半噸重，沒(méi)有辦法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸，只能通過(guò)飛機(jī)來(lái)運(yùn)輸。”

也正因如此，現(xiàn)有基于硅的存儲(chǔ)方式，不僅存在高成本、高能耗、壽命短的問(wèn)題，相對(duì)來(lái)說(shuō)遷移起來(lái)也很麻煩?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)，越來(lái)越難以滿足數(shù)據(jù)日益爆發(fā)性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這時(shí)候，迫切需要一場(chǎng)“綠色革命”。

基因測(cè)序從理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

在人類不斷生產(chǎn)出海量信息的同時(shí)，我們對(duì)于生命的理解也更加深刻。在過(guò)往幾十年里，人類探索生命奧秘最重要突破之一，就是對(duì)DNA的更深入理解。

“DNA就是我們生命的密碼。我們知道DNA由4種堿基組成，遵循非常簡(jiǎn)單的配對(duì)規(guī)則，我們有時(shí)候會(huì)稱為叫華生-克里克配對(duì)原則。就是4個(gè)堿基分成兩組，A一定是跟T配對(duì)，G一定是跟C配對(duì)。”

樊春海院士這樣科普到：“在我們細(xì)胞里，每時(shí)每刻都有這樣一個(gè)的過(guò)程：DNA雙列進(jìn)入到聚合酶的蛋白質(zhì)的孔洞里，就像一個(gè)復(fù)印機(jī)一樣，可以說(shuō)是一個(gè)最精確的自然界產(chǎn)生的納米復(fù)印機(jī)。當(dāng)DNA復(fù)制達(dá)到一定量后，細(xì)胞開始分裂，一個(gè)細(xì)胞分成兩個(gè)細(xì)胞，兩個(gè)細(xì)胞分成四個(gè)細(xì)胞，逐漸變成組織、器官，到植物、動(dòng)物、人……這就是我們所說(shuō)的生物學(xué)遺傳分子機(jī)制。”

大家對(duì)上世紀(jì)末的人類基因組計(jì)劃耳熟能詳。人類基因組計(jì)劃的目的，是把我們的遺傳物質(zhì)DNA序列測(cè)定下來(lái)。什么叫測(cè)定序列？就是把ATGC4個(gè)字母排列組合給確定下來(lái)。

經(jīng)過(guò)幾代全世界科學(xué)家的努力，這終于變成了一個(gè)現(xiàn)實(shí)。更重要的是，當(dāng)時(shí)測(cè)一個(gè)人的基因，要花幾十億美元。而現(xiàn)在對(duì)于全世界最強(qiáng)的測(cè)序公司來(lái)說(shuō)，只要一天時(shí)間，花費(fèi)一兩千塊錢的成本，就可以把一個(gè)人的基因檢測(cè)出來(lái)?，F(xiàn)在，全世界基因測(cè)序的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到100多億美元。

不僅如此，我們還可以把古人類、古生物的基因組序列測(cè)出來(lái)。比如我們通過(guò)檢測(cè)70萬(wàn)年前野馬化石的基因組信息，了解70萬(wàn)年前的野馬有哪些生物學(xué)特性。

DNA如何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息？

虛擬世界、計(jì)算世界或者說(shuō)現(xiàn)在的元宇宙，它的背后是兩個(gè)數(shù)字——1和0在跳動(dòng)。而在我們生物學(xué)生命的世界里，實(shí)際上背后是ATGC這4個(gè)字母在跳動(dòng)。人類基因組計(jì)劃所測(cè)出來(lái)的一本“天書”，實(shí)際上就是4個(gè)字母的排列。

從這個(gè)意義上講，或者說(shuō)我們從信息論的角度來(lái)看，實(shí)際上生命世界跟虛擬世界，可以說(shuō)是等價(jià)的，無(wú)非一個(gè)是二進(jìn)制，一個(gè)是四進(jìn)制。也就是說(shuō)，DNA分子就是這樣一些由ATGC4個(gè)字母組成的，可以編碼的分子信息材料。

既然DNA里面的ATGC是四進(jìn)制，計(jì)算機(jī)里面就是二進(jìn)制1和0，兩者在信息上等價(jià)的。那么，是不是可以用DNA來(lái)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)的信息呢？

樊春海院士介紹到，DNA存儲(chǔ)無(wú)非就是把數(shù)據(jù)1和0的二進(jìn)制變成ATGC四進(jìn)制的編碼過(guò)程。通過(guò)一系列的生化反應(yīng)，把數(shù)據(jù)給存下來(lái)、讀出來(lái)，再通過(guò)數(shù)據(jù)解碼，變成1和0，跟計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)接起來(lái)。

“1988年，有科學(xué)家證明DNA可以用來(lái)存儲(chǔ)信息，但是在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起很多人的關(guān)注，后面有一系列的進(jìn)展，包括哈佛大學(xué)的研究表明DNA可以用來(lái)存儲(chǔ)一本書，在科學(xué)界都有一定的影響，但是沒(méi)有引起社會(huì)上的震動(dòng)。”

樊春海院士談到，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)，電子存儲(chǔ)是足夠用的，大家并不需要這樣一個(gè)聽起來(lái)很突破性、很怪異的方法來(lái)存儲(chǔ)。但隨著信息爆炸時(shí)代的來(lái)臨，電子存儲(chǔ)的瓶頸越來(lái)越明顯。“于是，用DNA來(lái)存儲(chǔ)，這件聽起來(lái)比較怪的事情，實(shí)際上已經(jīng)受到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視。”

據(jù)樊春海院士介紹，在科學(xué)雜志《Science》提到的未來(lái)人類的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題中，關(guān)于信息科學(xué)里面4個(gè)問(wèn)題其中之一，就是DNA能否用作信息存儲(chǔ)的介質(zhì)。而在我們國(guó)家的“十四五”科技規(guī)劃，就已經(jīng)把它列入需要加快布局的幾個(gè)前沿技術(shù)之一。

IT與BT交融的世紀(jì)來(lái)臨

那么，用DNA來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將生物材料用到信息技術(shù)里，究竟會(huì)帶來(lái)怎樣的變革？

“推算一下可以知道，通過(guò)50克DNA，可以存下1千萬(wàn)盤硬盤的信息?？梢酝ㄟ^(guò)DNA存儲(chǔ)，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量極限提升7個(gè)數(shù)量級(jí)，”樊春海院士列了一組數(shù)據(jù)：“這樣推算下來(lái)，全世界440萬(wàn)億的字節(jié)，只要200公斤DNA就可以存下來(lái)，這就解決了大問(wèn)題。”

也就是說(shuō)，DNA存儲(chǔ)帶來(lái)了一種密度高、能耗非常低、壽命非常長(zhǎng)的存儲(chǔ)模式。壽命能夠長(zhǎng)到什么程度？“類似于剛才所說(shuō)的70萬(wàn)年前的野馬化石DNA信息，不僅可以存百年、萬(wàn)年，甚至有可能存到幾十萬(wàn)年、百萬(wàn)年。相對(duì)于硅基電子存儲(chǔ)只能存幾十年來(lái)說(shuō)，有著巨大的進(jìn)步。”他說(shuō)。

“2019年我們國(guó)家信息存儲(chǔ)的市值將近5000億元，預(yù)計(jì)到2025年，我們國(guó)家將成為全世界最大的數(shù)據(jù)城。”在樊春海院士看來(lái)，來(lái)自醫(yī)療、金融、互聯(lián)網(wǎng)等等各行各業(yè)大量的數(shù)據(jù)，都有可能成為供DNA來(lái)存儲(chǔ)的一些需求。

“DNA信息存儲(chǔ)應(yīng)該說(shuō)目前還在起步階段。”據(jù)他預(yù)測(cè)，預(yù)期到2024年，將有30%的數(shù)字業(yè)務(wù)有可能是用DNA存儲(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而解決現(xiàn)在指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題。“我們上海交通大學(xué)成立了DNA存儲(chǔ)研究中心，希望在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用。”

據(jù)樊春海院士介紹，DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是典型的信息技術(shù)和生物技術(shù)交融的產(chǎn)業(yè)，其中不僅包含有信息、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，也包括合成生物學(xué)、基因測(cè)序等生物學(xué)技術(shù)。只有技術(shù)的交融，才有可能產(chǎn)生這樣一個(gè)偉大的事情。

“在上個(gè)世紀(jì)，我們經(jīng)常會(huì)聽到這樣的爭(zhēng)論——21世紀(jì)到底是IT（信息技術(shù)）的世紀(jì)還是BT（生物技術(shù)）的世紀(jì)？現(xiàn)在的證據(jù)越來(lái)越多證明，21世紀(jì)可能是生物技術(shù)和信息技術(shù)交叉融合的世紀(jì)。”樊春海院士說(shuō)。