Bài viết sẽ chỉ ra những cách DNA sẽ cách mạng hóa việc lưu trữ dữ liệu và giúp chúng ta đối phó với hàng triệu gigabyte thông tin mà loài người tạo ra mỗi ngày.
Qua nhiều thập kỷ, công nghệ lưu trữ đã phát triển và ngày càng ưu việt hơn. Công nghệ này đã dịch chuyển chuyển từ đĩa CD và đĩa mềm sang ổ cứng HDD và thể rắn SSD. Tuy nhiên, người dùng vẫn gặp phải một vấn đề như: mức dung lượng lưu trữ và khả năng sản xuất có thể không đáp ứng được với nhu cầu tạo ra dữ liệu không ngừng tăng lên.
Vì vậy, liệu lưu trữ DNA (DNA Data Storage) có giải quyết được vấn đề này? Dữ liệu có thể được lưu trữ trong DNA sẽ ra sao?
Lưu trữ dữ liệu DNA là gì?
DNA Data Storage là quá trình sử dụng các phân tử DNA làm phương tiện lưu trữ. Không giống như các dạng công nghệ lưu trữ từ tính và quang học hiện nay, dữ liệu DNA sẽ không được lưu trữ dưới dạng theo hệ nhị phân (tức là 1 và 0). Thay vào đó, dữ liệu thể này sẽ được mã hóa thành các cơ sở nucleotide DNA (A, C, G, T) và được lưu trữ. Các cơ sở này sau đó được chuyển đổi thành các chữ số nhị phân khi cần thiết.
Hiện tại, hơn 11 nghìn tỷ gigabyte dữ liệu tồn tại, với ít nhất 2,5 triệu gigabyte được thêm vào mỗi ngày. Các loại hình lưu trữ dữ liệu hiện có trên thế giới không thể theo kịp với sự gia tăng mạnh mẽ này. Do đó, kỳ vọng lưu trữ DNA là một trong những giải pháp cho vấn đề lưu trữ này.
Lưu trữ dữ liệu DNA hoạt động như thế nào?
DNA là viết tắt của deoxyribonucleic acid. Nó là một phân tử hữu cơ phức tạp mang thông tin di truyền của một sinh vật sống. Nó được tìm thấy ở tất cả con người và lưu trữ thông tin như màu da, màu mắt, chiều cao và các đặc điểm vật lý và sinh học khác.
Một vòng xoắn DNA có nhiều cặp ba-zơ duy nhất xen kẽ và xen kẽ nhau. Chúng là adenin (A), guanin (G), cytosine (C) và thymine (T). Các ba-zơ này được gắn vào vòng xoắn DNA thành từng cặp, được gọi là các cặp ba-zơ. Hai cặp ba-zơ là adenine-thymine và guanine-cytosine.
Dữ liệu được lưu trữ dưới dạng chữ số nhị phân (1 và 0) trong máy tính truyền thống. Trong lưu trữ dữ liệu DNA, bốn cơ sở nucleotide (A, C, G, T) lưu trữ và mã hóa dữ liệu. Thông tin được lưu trữ trong các hoán vị của ba cơ sở nucleotide, được gọi là codon.
DNA Data Storage bao gồm ba quá trình: mã hóa dữ liệu, tổng hợp và lưu trữ và giải mã. Mã nhị phân nắm giữ thông tin được dịch thành mã DNA hoặc codon bằng cách sử dụng một thuật toán. Sau đó, chúng được làm lắng trong một thùng chứa trong một môi trường mát mẻ và được điều chỉnh. Thông tin mang DNA có thể được đông lạnh trong dung dịch, lưu trữ dưới dạng giọt, hoặc lưu trữ trên chip silicon.
Các nhà khoa học đang nghiên cứu để làm cho việc đọc DNA lưu trữ nhanh hơn và ít tốn kém hơn. Hiện tại, dữ liệu được lưu trữ trong DNA phải được đưa đến phòng thí nghiệm để được giải mã thành thông tin nhị phân không có lỗi và mất nhiều thời gian.
Do đó, có thể mất một thời gian trước khi thiết bị lưu trữ dữ liệu DNA trở thành thiết bị giá rẻ sẵn có mà người dùng cuối sẽ sử dụng.
Nhiều nghiên cứu đang được tiến hành vào công nghệ lưu trữ DNA, và tất nhiên phương thức này chưa thể “phế ngôi” các phương thức lưu trữ hiện nay. Nhưng trong một vài năm nữa, khi nhiều nghiên cứu và đột phá công nghệ được tiến hành, dữ liệu sẽ được lưu trữ trong DNA và sẽ giải quyết được các vấn đề về dung lượng, bảo mật và mất mát dữ liệu do hỏng thiết bị.
Dung lượng lưu trữ của lưu trữ dữ liệu DNA là gì?
DNA Data Storage là giải pháp ưu tiên cho vấn đề thiếu hụt bộ nhớ vì nó có thể lưu trữ một lượng lớn dữ liệu trong không gian rất ít. Một gam DNA có thể lưu trữ 215 petabyte dữ liệu. Một petabyte là 1.024 terabyte. Vì vậy, một gam DNA có thể lưu trữ khoảng 220.160 terabyte.
So sánh với công nghệ hiện tại: ổ cứng một terabyte nặng khoảng 400 gram. Vì vậy, để lưu trữ lượng dữ liệu tương đương mà một gam DNA lưu giữ, bạn cần hơn 88 triệu gam ổ cứng.
Với thông tin này, các nhà nghiên cứu cho rằng, tất cả dữ liệu trên thế giới hiện tại có thể nằm gọn trong một hộp đựng giày bằng cách sử dụng lưu trữ dữ liệu DNA.
Ưu điểm của lưu trữ dữ liệu dạng DNA là gì?
Sử dụng lưu trữ DNA làm phương tiện lưu trữ mang lại nhiều lợi ích so với lưu trữ kỹ thuật số. Cách lưu trữ này cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu cao, tuổi thọ cao hơn đáng kể so với các hình thức lưu trữ khác, tính nhỏ gọn, ít bị lỗi kỹ thuật và điện, và khả năng sao chép.
Mật độ lưu trữ
Ưu điểm chính của DNA Data Storage so với các phương tiện lưu trữ khác là mật độ lưu trữ. Ngay cả khi bạn lưu trữ dữ liệu của mình từ xa trên đám mây hoặc NAS, chúng vẫn được lưu trữ trong các máy chủ và trung tâm dữ liệu lớn. Các trung tâm dữ liệu này có quy mô tương đương với các sân vận động bóng đá và tốn hàng tỷ đô la để xây dựng và bảo trì. Nó không giống với lưu trữ dữ liệu DNA.
Lưu trữ dữ liệu DNA cho phép bạn lưu trữ một lượng lớn dữ liệu trong một không gian rất nhỏ gọn. Do đó, giảm thiểu các vấn đề về không gian, chi phí bảo trì và thiếu thiết bị lưu trữ.
Độ bền
Các thiết bị lưu trữ kỹ thuật số hiện có ngày nay có độ bền khá thấp, có thể hỏng bất kỳ lúc nào. Các bộ lưu trữ này đều dễ bị mục nát và xuống cấp. Các nghiên cứu cho thấy, việc “phân rã kỹ thuật số” là sự phân hủy dần dần dữ liệu được lưu trữ trên máy tính, ảnh hưởng đến hàng triệu người mỗi năm.
DNA có chu kỳ bán rã 500 năm. Khi được lưu trữ trong một môi trường tối ưu và được điều chỉnh, dữ liệu được lưu trữ trong DNA có thể tồn tại hàng trăm năm.
Khả năng tái sử dụng
Do sự xuống cấp của dữ liệu, dữ liệu trong trung tâm dữ liệu (data center) phải được sao lưu và chuyển sang phần cứng khác sau một thời gian để bảo toàn thông tin được lưu trữ. Quá trình này thường phức tạp.
Dữ liệu được lưu trữ trong DNA có thể dễ dàng được sao chép. Một phương pháp mà các nhà khoa học đã thử nghiệm là chèn DNA với thông tin được lưu trữ vào vi khuẩn. Sau đó vi khuẩn này tự sinh sản – thế hệ vi khuẩn khác có cùng thông tin được lưu trữ trong DNA đầu tiên mà không có bất kỳ sai sót hoặc mất mát nào.
Lưu trữ Dữ liệu DNA có phải là Tương lai của Lưu trữ?
Nói thẳng ra là CÓ. DNA Data Storage chắc chắn giải quyết toàn bộ các vấn đề gặp phải của hình thức lưu trữ hiện nay. Lưu trữ DNA đã được sử dụng hiện tại bởi các công ty muốn bảo quản các kho lưu trữ thông tin phong phú mà không cần phải truy cập thường xuyên.
Thật không may, sẽ còn khá lâu nữa trước khi lưu trữ DNA trở thành một lựa chọn phổ biến và giá cả phải chăng dành cho người dùng đại trà. Trong khi chờ đợi, chúng ta phải cẩn thận chọn ra định dạng lưu trữ tốt nhất để lưu trữ dữ liệu lâu dài.