W obliczu wykładniczego wzrostu ilości danych cyfrowych – przewidywanego wytworzenia przez ludzkość do końca 2025 roku około 181 zettabajtów (ZB) informacji – inżynierowie i specjaliści ds. IT stają przed rosnącym dylematem: jak zapewnić długoterminowe, bezpieczne i efektywne kosztowo przechowywanie informacji.
Dane, od których w coraz większym stopniu zależy nasze życie, zapisujemy współcześnie głównie w formie cyfrowej, korzystając z nośników półprzewodnikowych (pamięci flash) oraz rozwiązań chmurowych, które zapewniają szybki dostęp i skalowalność. W centrach danych stosuje się technologie NVMe, umożliwiające bardzo wysoką przepustowość, co jest kluczowe dla analizy dużych zbiorów informacji. Równolegle rozwijane są technologie optyczne i kwantowe, które mogą w przyszłości zwiększyć pojemność nośników setki razy. Niezależnie od zastosowanej technologii, standardem pozostaje tworzenie kopii zapasowych, szyfrowanie oraz kontrola dostępu, aby zapewnić bezpieczeństwo i integralność danych. Coraz większe znaczenie mają innowacyjne metody, takie jak zapis w syntetycznym DNA – nośniku niezwykle trwałym i o ogromnej gęstości, pozwalającym przechowywać dane przez tysiące lat bez potrzeby zapewnienia zasilania.
Zettabajt (ZB) to jednostka miary danych, która obrazuje naprawdę gigantyczne ilości informacji. Jeden zettabajt to 1021 bajtów, czyli bilion gigabajtów. Aby zrozumieć tę skalę, warto porównać ją z codziennymi przykładami. Wyobraźmy sobie filmy w jakości HD – 1 ZB pomieściłby około 250 miliardów takich filmów. Jeśli każdy smartfon miałby pamięć 128 GB, to 1 ZB odpowiadałby pamięci 8 miliardów telefonów, czyli tyle, ile wynosi liczba ludzi na Ziemi. Gdybyśmy spróbowali zapisać dane z jednego zettabajta na kartkach A4, stos papieru sięgnąłby od Ziemi do Księżyca i z powrotem, i to wielokrotnie.
Przechowywanie 1 ZB na tradycyjnych nośnikach wymaga milionów dysków i ogromnych serwerowni. Liczne inwestycje w centra danych na całym świecie powodują rosnący deficyt produkcji tradycyjnych układów pamięci półprzewodnikowych. Dla każdego z nas oznacza to odczuwalne wzrosty cen pamięci RAM i nośników z pamięciami flash. Dla korporacji to z kolei strata przychodów z tytułu opóźnień w realizacji projektów inwestycyjnych i świadczenia usług.
Konwencjonalne pamięci wykazują też fundamentalne wady w kontekście długotrwałej archiwizacji. HDD zawodzą z powodu awarii silników, limitów cykli zapisu/ odczytu, zbyt małej gęstości zapisu oraz dużego zużycia energii potrzebnej do utrzymania i chłodzenia centrów danych. Pamięci flash, wykorzystywane w dyskach SSD/NVMe, przechowują dane w postaci ładunków elektrycznych uwięzionych w komórkach pamięci. Każda komórka to mały „zbiorniczek” na elektrony – jeśli jest pełny, oznacza „1”, jeśli pusty – „0”. Problem polega na tym, że te elektrony nie są całkowicie unieruchomione. Z czasem zaczynają „uciekać” przez izolację, podobnie jak woda powoli przecieka przez mikroskopijne szczeliny w zbiorniku. Efekt? Komórka „zapomina”, czy miała być jedynką czy zerem, co prowadzi do utraty danych.
Odpowiedzią na ten globalny kryzys pamięci masowej jest DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) – najbardziej gęsty i trwały naturalny nośnik informacji, teraz przekształcany w medium do przechowywania
danych cyfrowych. Pamięci flash wymagają okresowego odświeżania danych (co 1-10 lat) i mają ograniczoną żywotność. W przeciwieństwie do nich pamięć DNA nie ma takich problemów, bo zapis jest zrealizowany w strukturze molekularnej, która odpowiednio przygotowana pozostaje stabilna przez tysiące lat.
Idea przechowywania danych na poziomie cząsteczkowym została nakreślona już w 1959 roku przez Richarda Feynmana, uznanego w 1999 roku za jednego z dziesięciu najwybitniejszych fizyków wszech czasów. W czasach, gdy komputery zajmowały całe pomieszczenia, a miniaturyzacja dopiero się zaczynała, Feynman przedstawił wizję manipulowania materią na poziomie atomów i cząsteczek, aby tworzyć nowe technologie – w tym ekstremalnie gęste systemy przechowywania informacji.
Jego główny pomysł była zaskakująco prosty, a jednocześnie rewolucyjny: „zapisanie całej wiedzy ludzkości na główce od szpilki”. Feynman obliczył, że po zmniejszeniu wielkości tekstu 25.000 razy wszystkie tomy Encyklopedii Britannica mogłyby zmieścić się na powierzchni główki szpilki. Każdy punkt druku miałby wtedy średnicę około 80 Angstremów, czyli zaledwie kilkadziesiąt atomów. To dowodziło, że fizycznie istnieje wystarczająco dużo miejsca w strukturach atomowych, by pomieścić ogromne ilości informacji w mikroskopijnej przestrzeni. W swoim wykładzie Feynman zaproponował stworzenie zestawu fizycznych narzędzi w skali 1:4, które budowałyby kolejne, coraz mniejsze narzędzia, aż do poziomu atomowego. Mówił o możliwości „układania atomów tak, jak chcemy”, co miało otworzyć drogę do syntezy chemicznej przez mechaniczne manipulowanie cząsteczkami. Wspomniał również o potrzebie powstania nowych mikroskopów, zdolnych do obserwacji pojedynczych atomów – ten pomysł został zrealizowany dopiero w latach 80. dzięki mikroskopom STM (skaningowe mikroskopy tunelowe) i AFM (mikroskopy sił atomowych).
W 1959 roku nikt nie myślał o komputerach w skali atomowej. Wystarczająco fantastycznie brzmiały idee komputerów mieszczących się walizce lub kieszeni. Dopiero osiągnięcia w genetyce pozwoliły na realizację tych pomysłów. Przełom nastąpił w 2012 roku, kiedy George Church i Sriram Kosuri z Harvardu po raz pierwszy zakodowali pliki cyfrowe w syntetycznych niciach DNA. Od tego momentu technologia ta zmierza ku komercjalizacji, czego dowodem jest wprowadzenie na rynek przez amerykańską firmę Atlas Data Storage rozwiązania Atlas Eon 100. Jest to pierwszy komercyjny i skalowalny system wykorzystujący syntetyczne DNA do archiwizacji, stanowiący kamień milowy w dążeniu do stworzenia „nieśmiertelnego archiwum”. System ma docelowo służyć jako baza dla rozwiązań zdolnych do przechowywania danych w skali terabajtów, koncentrując się na długoterminowej archiwizacji i zabezpieczaniu zbiorów danych do uczenia modeli sztucznej inteligencji.
Architektura przechowywania danych w DNA opiera się na eleganckiej zasadzie: zamiast klasycznego kodu binarnego (0 i 1), informacje są zapisywane w „alfabecie życia”, czyli w sekwencjach czterech zasad azotowych DNA – adeniny (A), cytozyny (C), guaniny (G) i tyminy (T). Specjalne algorytmy przekształcają cyfrowe dane w ciągi tych zasad, tworząc syntetyczne nici DNA, które fizycznie zawierają zakodowaną informację. To tak, jakby każdy plik – zdjęcie, film czy dokument – został zapisany w postaci biologicznego kodu, który można później odczytać, sekwencjonując DNA i dekodując je z powrotem na dane cyfrowe.
Największą zaletą tej technologii jest gęstość zapisu. DNA jest nieporównywalnie bardziej kompaktowe niż jakikolwiek znany nośnik – jego zdolność przechowywania danych jest około tysiąc razy większa niż w przypadku tradycyjnych mediów magnetycznych. W praktyce oznacza to, że jeden gram odwodnionego DNA może pomieścić nawet jeden zettabajt danych. To prawdziwy przełom: całą zawartość największych bibliotek świata można docelowo zmieścić w przestrzeni wielkości ziarenka maku. Dzięki temu fizyczne archiwa, które dziś zajmują ogromne centra danych, mogłyby zostać zredukowane do miniaturowych kapsułek.
Drugim kluczowym parametrem jest trwałość. Syntetyczne DNA w stabilnej, odwodnionej formie jest odporne na degradację fizyczną i termiczną. Nie wymaga zasilania ani chłodzenia, a jego żywotność liczona jest w tysiącach lat. To sprawia, że DNA jest idealnym medium do długoterminowej archiwizacji – od zasobów naukowych i kulturowych po dane krytyczne dla przedsiębiorstw.
Zdjęcie: Adobe Stock, Production Perig
Sam proces zapisu, przetwarzania i odczytu danych w DNA to złożony cykl operacji bioinżynieryjnych i algorytmicznych, który łączy świat cyfrowy z biologicznym. Pierwszym etapem jest kodowanie algorytmiczne, w którym dane binarne – ciągi zer i jedynek – są tłumaczone na sekwencje nukleotydów. Ten krok wymaga zastosowania specjalistycznych algorytmów, które muszą spełnić dwa kluczowe warunki. Po pierwsze, zapewnić odporność na błędy, ponieważ proces syntezy DNA i jego późniejsze odczytywanie nie są wolne od pomyłek. Dlatego algorytmy dodają nadmiarowe informacje i stosują kody korekcyjne, aby możliwe było wykrycie i naprawa błędów. Drugim zadaniem algorytmów jest unikanie sekwencji, które są trudne do wytworzenia lub odczytania. Przykładem są homopolimery, czyli długie powtórzenia tej samej zasady (np. AAAAAAA). Takie fragmenty mogą powodować problemy w procesie syntezy chemicznej i sekwencjonowania, bo maszyny „gubią się”, gdy widzą zbyt długi ciąg identycznych znaków. Dlatego algorytmy projektują kod tak, by był „różnorodny” i stabilny, co zapewnia niezawodność całego procesu. Kolejnym etapem jest synteza DNA, czyli fizyczne wytworzenie syntetycznych nici zawierających zakodowane dane. Obecnie typowa długość takich fragmentów wynosi około 200 zasad. To proces chemiczny lub enzymatyczny, wymagający precyzyjnego dodawania kolejnych nukleotydów w odpowiedniej kolejności. Każdy fragment musi być zbudowany krok po kroku, co jest znacznie wolniejsze niż zapis elektryczny w pamięci półprzewodnikowej. Obecnie zapis zaledwie kilku megabajtów danych może trwać godziny lub nawet dni. To zdecydowanie wąskie gardło tej technologii.
Trzeci etap to sekwencjonowanie, czyli biologiczny odpowiednik odczytu danych z dysku. Polega na ustaleniu kolejności nukleotydów w nici DNA za pomocą zaawansowanych technik analitycznych. Dzięki temu możliwe jest odzyskanie informacji zapisanej w kodzie życia. Choć techniki sekwencjonowania są coraz szybsze, nadal są wielokrotnie wolniejsze niż odczyt z dysku twardego czy SSD. Ostatnim krokiem jest dekodowanie, w którym dedykowane oprogramowanie przekształca sekwencję A, T, C i G z powrotem w kod binarny. Algorytmy korekcji błędów zapewniają wierność danych, osiągając niezawodność na poziomie niemal absolutnym – 99,99999999999%.
Komercjalizacja technologii pamięci DNA, mimo jej ogromnego potencjału, wciąż napotyka na istotne wyzwania. Największe bariery to prędkość operacji, wysokie koszty oraz trudności w skalowaniu procesu syntezy DNA. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, naukowcy i inżynierowie opracowują kolejne innowacyjne rozwiązania, które mogą zrewolucjonizować sposób przechowywania danych.
Pierwszym kierunkiem jest zwiększenie szybkości dostępu do danych, co realizuje koncepcja „kasety” DNA. Tradycyjne archiwa DNA wymagają sekwencyjnego odczytu dużych partii informacji, co jest czasochłonne i niepraktyczne przy zarządzaniu ogromnymi zbiorami. Nowe podejście polega na integracji DNA z fizycznym nośnikiem – taśmą w kasecie, na której drukowane są wzory kodów kreskowych. Te kody pełnią rolę adresów logicznych, umożliwiając szybkie odnajdywanie i odzyskiwanie konkretnych plików w trybie swobodnego dostępu. W przeciwnym wypadku możliwy byłby jedynie dostęp sekwencyjny, czyli konieczność dekodowania całego zapisu, aby dotrzeć do jego krótkiego fragmentu. Dzięki temu archiwum DNA staje się bardziej funkcjonalne i pozwala na efektywne zarządzanie danymi w skali masowej.
Drugim obszarem innowacji jest redukcja kosztów energetycznych, co rozwiązuje metoda T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation). Dotychczasowe systemy pamięci DNA wymagały przechowywania w niskich temperaturach, ponieważ cząsteczki DNA, podobnie jak każdy materiał biologiczny, są podatne na degradację w obecności wilgoci, wysokiej temperatury i czynników chemicznych. Wysoka temperatura przyspiesza reakcje chemiczne, które mogą prowadzić do rozpadu wiązań w strukturze DNA, a wilgoć sprzyja hydrolizie, czyli rozkładowi cząsteczek. Aby temu zapobiec, stosowano chłodzenie – często w warunkach kriogenicznych lub w zamrażarkach laboratoryjnych – co gwarantowało stabilność materiału przez długie lata. T-REX eliminuje ten problem, hermetyzując DNA w hydrofobowym polimerze termoutwardzalnym, który zapewnia odporność na wilgoć i wysoką temperaturę. Dzięki temu możliwe jest stabilne przechowywanie DNA w temperaturze do 75°C, bez konieczności wymuszonego chłodzenia. To rozwiązanie nie tylko obniża koszty, ale także upraszcza logistykę i zwiększa skalowalność tej technologii.
Rozwiązanie Atlas Eon 100 jest odporne na impulsy elektromagnetyczne, które mogą zniszczyć klasyczne urządzenia elektroniczne, co staje się coraz ważniejsze w obliczu zagrożeń związanych napięciami politycznymi na Świecie. Produkt ma być dostępny komercyjnie jako usługa premium dla dużych instytucji państwowych i prywatnych. Cena będzie początkowo wysoka, gdyż musi pokryć koszty rozwoju produktu, zapewni jednak gęstość zapisu i niezawodność niedostępną dla innych metod trwałej archiwizacji.
W najbliższej przyszłości technologia pamięci DNA nie zastąpi pamięci operacyjnej ani dysków konsumenckich, ale ma ogromny potencjał, by zdominować sektor tzw. „zimnego przechowywania” (ang. Cold Storage), znanego również jako WORM (ang. Write Once Read Many – zapisz raz, odczytaj wielokrotnie). Eksperci przewidują jednak, że w ciągu najbliższych 5–7 latach pamięć DNA stanie się realnym rozwiązaniem dla instytucji, które potrzebują trwałego przechowywania danych typu WORM.
Rozwiązanie to ma kluczowe znaczenie w dwóch bardzo aktualnych obszarach. Pierwszym są zbiory metod i technik, które umożliwiają zrozumienie sposobu działania algorytmów AI (ang. AI Explainability Datastores) – archiwizacja pierwotnych danych szkoleniowych użytych do tworzenia modeli sztucznej inteligencji. Zapisanie ich w DNA gwarantuje, że pozostaną niezmienione i dostępne przez dziesięciolecia, co jest niezbędne dla prowadzenia audytów, zgodności z regulacjami oraz zapewnienia transparentności działania systemów AI. W erze rosnących wymagań dotyczących odpowiedzialności stosowania algorytmów, takie archiwa stają się fundamentem zaufania do technologii.
Drugim obszarem są archiwa państwowe, wojskowe i kulturowe, obejmujące zabezpieczanie fundamentalnych zestawów danych naukowych – na przykład danych klimatycznych – oraz dziedzictwa cyfrowego na całe stulecia. Muzea, biblioteki narodowe czy instytucje badawcze potrzebują technologii, która zapewni trwałość i integralność informacji w perspektywie wielopokoleniowej.
DNA, dzięki swojej ultrakompaktowości, niezwykłej trwałości i zerowemu zapotrzebowaniu na energię po zapisaniu, ma wszelkie predyspozycje, by stać się nowym, „nieśmiertelnym” standardem archiwizacji cyfrowej. W porównaniu z tradycyjnymi nośnikami zaoferuje najniższy całkowity koszt posiadania dla danych przechowywanych w perspektywie stuleci. To rozwiązanie, które może całkowicie zmienić sposób, w jaki ludzkość chroni swoją wiedzę – od zasobów naukowych po kulturę – zapewniając jej bezpieczeństwo na tysiące lat bez konieczności migracji danych czy kosztownego utrzymania infrastruktury. Wystarczy zestaw miniaturowych kapsułek, których kilkadziesiąt zmieści się spokojnie w dłoni…
KRZYSZTOF HAJDROWSKI
