以色列理工學院（Technion）電腦科學系研究團隊最近開發出革命性 AI 工具「DNAformer」，能將 DNA 數據提取速度提高 3,200 倍，同時大幅提升準確度，為 DNA 數據儲存技術帶來重大突破，以 DNA 作儲存媒介指日可待。
DNA 儲存的獨特優勢
DNA 儲存技術利用 DNA 分子的四種核苷酸（A、C、G、T）來編碼數碼資訊，相比傳統電腦的二進制（0、1）系統，DNA 能夠儲存更多信息。
DNA 作為儲存媒介擁有三大關鍵優勢。首先是超長保存期：科學家曾從 70 萬年前的馬骨和 100 萬年前的猛獁象化石中提取 DNA，遠超傳統數據中心的磁盤壽命。其次，能耗和成本效益高：傳統「雲端」數據中心消耗全球約 3% 的電力，產生 2% 的碳排放，而 DNA 存儲更為環保。最令人驚嘆的是其儲存密度高達傳統數碼儲存的 1 億倍，理論上 1MB 的空間可存儲高達 100TB 的資料。
突破性的 AI 解決方案
DNA 數據儲存面臨多重挑戰，包括合成和測序過程漫長且易出錯，產生的 DNA 分子副本無序排列，以及讀取時出現大量含錯誤的分子副本。以色列團隊的 DNAformer 系統透過 AI 轉換模型，結合自主開發的模擬器生成的數據訓練，能夠從有缺陷的副本中重建準確序列。與傳統算法相比，AI 的學習能力使系統可以適應不同類型的 DNA 存儲編碼方案。
DNAformer 結合了多層安全機制：
- AI 驅動的序列重建系統
- 針對 DNA 特性定制的錯誤糾正編碼
- 智能安全邊界機制，能自動檢測噪聲特別高的序列
當系統遇到特別嘈雜或難以解讀的 DNA 序列時，會啟動更強大的算法工具進行深度處理，確保數據完整性。這種分層處理方法顯著提高了系統的容錯能力。
實際性能與應用前景
在實際測試中，該 AI 系統能在僅需 10 分鐘內處理 100MB 的數據，較傳統方法快 3,200 倍。系統在 3.1MB 的多類型測試數據集上表現優異，無論是處理圖像、音頻還是文本都保持高準確度。與其他快速方法相比，DNAformer 在準確率上提高了 40%。
研究人員特別強調系統的可擴展性和適應性。隨著 DNA 合成和測序技術的進步，DNAformer 的設計可以持續優化，無需完全重建。這使其非常適合工業應用，能夠為長期數據存檔提供高效率、高可靠性的讀取解決方案。
這些測試數據包含了四種不同類型的內容，展示了 DNA 儲存的多功能性：
1. 彩色圖像
研究人員將完整的彩色圖像編碼進 DNA 序列中，並成功透過 DNAformer 系統準確還原。這證明了 DNA 儲存可以保存高質量的視覺資料，包括細節和色彩信息。相比傳統儲存媒體，同等空間的 DNA 可儲存更多高解析度圖像。
2. 岩士唐登月音頻
研究者將岩士唐在月球上說的著名話語「這是個人的一小步，卻是人類的一大步」的 24 秒音頻片段存儲到 DNA 中。音頻數據包含複雜的聲波模式，對儲存系統的準確性要求極高。DNAformer 系統能夠完美重現原始音頻的音質和語氣，證明了這項技術對於音頻儲存的適用性。
3. 關於 DNA 儲存優勢的文字文檔
研究團隊還存儲了一份詳細介紹 DNA 作為數據儲存媒介優勢的文字文檔。這個例子展示了 DNA 儲存對於文字和文檔類數據的高效性，特別是對於需要長期保存的文字記錄，如歷史檔案、法律文件或科學論文等。
4. 隨機生成數據
為了測試系統對加密或壓縮文件的處理能力，研究者還儲存了一組隨機生成的數據。這類數據通常沒有可識別的模式，因此更難以在有錯誤的情況下進行修復。
未來發展方向
研究團隊計劃開發 DNAformer 的定制版本，以適應不同應用場景的需求。他們也在探索如何進一步降低計算資源需求，提高系統處理超大型 DNA 數據庫的能力。
隨著 AI 在 DNA 存儲領域的應用不斷深入，我們可能會看到更多結合機器學習和生物信息學的創新解決方案，為未來的數據處理開闢新的可能性。
來源：techxplore
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