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人類正處於前所未有的資訊爆炸的邊緣。但問題是，我們將如何處理我們產生的所有資料？
這並非一個無關緊要的問題。從日常使用的電腦和智慧型裝置，到汽車和機器人等進階科技，都在以指數級增長的速度產生和使用資料。
五年前，我們數位技術產生的所有資料總量為 4.4 ZB（即 4.4 十垓位元組）──一個幾乎難以理解的數字。而今天，我們已經遠遠超過了這個數字：我們現在每年大約生產 16ZB，預計這個數字還會繼續增長。
我們使用主要由沙子中發現的矽製成的微晶片來收集、處理和儲存這些資料。雖然矽是地殼中含量第二豐富的元素，但純矽（製造多種電腦晶片所需的矽）卻很稀少，僅佔矽總供應量的不到 10%。
而且我們正在迅速消耗掉它。一項研究表明，到 2040 年，所需的矽晶圓總量將超過矽的總供應量，這對新技術和數位化進步構成了重大挑戰。
避免這場災難的一個方法是改進矽提純工藝。此外，研究人員正在尋找用於資料處理和儲存的替代材料，例如氮化鎵（GaN）和石墨烯。
但還有其他替代材料可供選擇：去氧核糖核酸，或稱 DNA。
DNA 資料儲存：大自然的資料處理器
每個生物來到這個世界時都攜帶著某些資訊。我們的頭髮和眼睛顏色、慣用右手還是左手、容易患的疾病，甚至可能包括我們的性格，都編碼在我們的遺傳特徵中，而這些特徵來自我們的基因。基因由 DNA 組成，DNA 攜帶著決定我們是誰以及我們是什麼樣的人的資訊。
DNA 的分子結構由雙螺旋組成，即兩條相互纏繞的分子鏈——一條由糖組成，另一條由磷酸組成。兩條鏈之間是含氮鹼基，它們呈水平棒狀，每種鹼基都由不同的化學物質構成。鹼基分為四種：
- 腺嘌呤 (A)
- 胸腺嘧啶 (T)
- 鳥嘌呤 (G)
- 胞嘧啶 (C)
既然我們已經瞭解了 DNA 的來龍去脈以及它如何在人體儲存資訊，那麼 DNA 又是如何在我們的電子裝置中儲存資訊的呢？
「人體是資訊儲存最為精密複雜的器官，」美光科技資深研究員兼副總裁 Gurtej Sandhu 表示。Sandhu 在眾多技術領域擁有超過 1,300 項專利。他個人的興趣和研究領域之一是利用 DNA 進行資料儲存。
他說，他的靈感來自於領悟到我們身體所含的「無限量」資訊是存在於單個 DNA 細胞中。
Sandhu 說：「大自然以驚人的規模進行資料壓縮，其方式至今仍未被完全理解。因此我就想：『我們為什麼不能使用 DNA 作為介質來儲存資訊呢？』」
將數位資料儲存在 DNA 中的諸多好處
隨著科學家對 DNA 分子的瞭解不斷深入，並找到合成 DNA 的方法，他們看到了 DNA 在資料儲存方面的巨大潛力。一種被稱為核酸記憶體 (NAM) 的未來儲存技術有望帶來諸多益處。
密度：Sandhu 說，一個人的 DNA 中儲存的資訊量非常龐大。我們的身體裡含有 5TB（或五萬億位元組）的資訊。Sandhu 表示，DNA 的資料儲存密度遠高於目前已知的任何其他儲存技術。
在一種系統中，一克 DNA 可以儲存 2.15 億 GB 的資料，而比一塊方糖還小的 DNA 量就可以儲存所有曾經製作過的電影。如果進一步放大，一個相當於兩輛客車大小的 DNA 容器就可以容納世界上所有已產生的資料。
Sandhu 認為，造成這種高密度的原因之一是 DNA 由四種堿基組成──A、T、G 和 C──而不是電腦現在使用的二進位 0 和 1 系統。這種翻倍使得儲存的資訊量可以呈「指數級增長」。NAM 儲存將資訊編碼到分子中，將資訊壓縮到非常小的分子塊中。
耐久性： DNA 可以儲存很長時間，在永久凍土層中冷凍時可儲存長達 150 萬年左右。作為資料儲存介質，它可以儲存數千年甚至數百萬年。相比之下，最常用的長期儲存介質磁帶，每 10 年就必須更換一次。
可持續性：DNA，即使是 NAM 中使用的合成 DNA，在儲存、處理和讀取時也只需要很少的能量。因為它具有自我再生能力，所以也是完全可回收的。此外，它還可以很容易地複製成許多副本，從而創造出近乎無限的 DNA 數位資料儲存。
「NAM 可以用更少的空間和能源為後代儲存世界資訊，」Sandhu 和他的同事們，包括 George M. Church、Victor Zhirnov 等人，在 2016 年發表於《自然材料》雜誌的一篇文章中詳細介紹了他們的研究成果。
DNA 儲存技術的長期潛力
研究人員正在探索 DNA 的用途，首先是作為一種長期儲存技術，用於儲存醫療記錄、監控視訊、歷史文獻和其他檔案材料。
使用磁帶儲存大量資料的古老方法可以被相對少量且儲存時間更長的納米記憶體（NAM）所取代。最終，他們希望開發出納米記憶體技術，徹底取代電腦中矽的使用。
成本將是阻礙此目標實現的主要障礙。
Sandhu 表示：「對於我們這種利用 DNA 讀取、寫入、封裝和儲存資料的應用來說，成本需要大幅降低。」 在一個專案中，合成 2MB 資料的成本為 7,000 美元；讀取資料又花費了 2,000 美元。讀寫 DNA 的速度比讀寫其他類型的記憶體介質要慢。
Sandhu 樂觀地認為，隨著時間的推移，這些挑戰終將得到解決。他指出，DNA 測序的價格已經大幅下降，從 2002 年的每兆鹼基（或 100 萬個 DNA 鹼基對）31,250 美元降至 2024 年的每兆鹼基 50 美分。
對 NAM 的研究正在加速進行。在哈佛大學、歐洲分子生物學實驗室和半導體研究聯盟（或 Symbio）等研究小組的資助下，所有這些研究小組都在開發基於 DNA 的資料儲存技術。
DNA 資料儲存前景光明
如果今天發生電腦級矽材料短缺的情況，世界可能會因此陷入停滯。鑒於我們產生資料的速度，全球矽供應的枯竭是一個令人擔憂的問題，但美光正在積極應對這一挑戰。作為電腦記憶體技術的領先製造商，我們擁有得天獨厚的優勢，能夠引領向更好、更快、更可永續發展的數位資訊解決方案邁進。
Sandhu 認為，基於 DNA 的 NAM 可能很快就能增強美光 DRAM、NAND 和其他矽基記憶體技術。未來某一天，這種儲存方式可能會成為主流，完全取代矽基儲存裝置。
同時，在開發 NAM 的過程中將可能產出同等重要的結果；Sandhu 表示：
「想像一下 100 年前使用磁芯儲存技術的時代，後來出現了電子記憶體、磁碟機、小型磁式記憶體等等。對於這些，我們需要瞭解機械方面的知識。」
「DNA 的複雜程度是它的 10 倍。我們需要更為全面，我們需要記憶體、微流控技術、化學和分子生物學。這項技術要想成功，需要不同人員進行大量的合作，並在技術和科學領域進行廣泛的參與。要實現這一目標，需要掌握各種技能。」
美光是記憶體製造商，因此我們在構思和創造新型記憶體技術方面處於產業領先地位。但要使 DNA 資料儲存等技術成為實際應用，需要不同領域專家之間的合作。
Sandhu 說：「無論是在我們這個產業還是其他任何產業，過去都沒有這樣的範例。這將是一次絕佳的合作機會，而我們目前僅觸及了少少的一部分。」