年终盘点(一)|2021年度*载人航天**瞬间

2021-12-29 10:01:42 文章来源:网络

今天是太空与您相伴的【第1346期】

2021年度是**载人航天发射大年

天舟二号、天舟三号货运飞船先后升空

“神十二”、“神十三”载人飞船接力飞行

**空间站航天员首次出舱

天地通话、天宫授课

……

**载人航天事业迎来历史**发展

有太多****瞬间驻留人们心头

即日起

我们的太空年终盘点陆续与钛粉见面

今天让我们通过18张海报

一起细细回味

2021**载人航天****瞬间

天舟二号货运飞船转运瞬间

神舟十二号航天员与记者见面会瞬间

神舟十二号出征仪式瞬间

神舟十二号载人飞船发射瞬间

神舟十二号天地通话瞬间

神舟十二号航天员首次出舱瞬间

神舟十二号航天员返回东风着陆场瞬间

神舟十二号航天员返回抵京瞬间

天舟三号货运飞船静待发射瞬间

天舟三号货运飞船发射瞬间

天舟三号货运飞船与空间站组合体对接瞬间

神舟十三号航天员与记者见面会瞬间

神舟十三号航天员出征仪式瞬间

神舟十三号载人飞船发射瞬间

神舟十三号载人飞船与空间站组合体对接瞬间

神舟十三号航天员出舱瞬间

神舟十二号航天员乘组返回后与记者见面会瞬间

神舟十三号航天员在空间站“天宫”授课瞬间

回顾****瞬间

展望辉煌未来

让我们一起期待

2022年神舟十三号航天员乘组凯旋

加油!2022!

来源:我们的太空

我们正处于数据****的时代,全球数据量呈指数级增长!

国际数据机构IDC预测,2025年,全球数据量将达到175ZB,5年平均复合增长率8%。1ZB等于1万亿GB,如果175ZB数据用容量1GB的移动**盘来装,至少需要175万亿个**盘。在未来,数据存储问题将成为互联网发展的痛点。

为了解决数据存储这一难题,受生物学的启发,研究人员瞄准了人体内的DNA。

**大的人类染色体含有近2.5亿个碱基对,如果每个碱基对上都能存储数据,理论上,麻省理工学院生物工程教授MarkBathe说,一个装满DNA的咖啡杯就可以存储世界上所有的数据。这样看来,存储175ZB的数据也就不在话下了。

这样一个前景可观的新兴存储技术,在今年3月被写进“十四五”规划纲要草案中。不仅如此,2021年层出不穷的相关研究及落地进展,令DNA存储技术愈发受到关注。

例如1月11日,Nature子刊上发表了哥伦比亚大学将helloworld翻译成碱基语言录入大肠杆菌DNA的相关论文;5月26日,由中科院深圳先进技术研究院孵化的中科碳元成立,专注于推进DNA数据存储研发及商业化;11月12日,东南大学刘宏团队将校训“止于至善”写进DNA的论文发表于ScienceAdvances;11月24日,微软公布**纳米级DNA存储写入器……

需要注意的是,广义上的DNA芯片是基因组学和遗传学研究的工具,指在固相支持物上原位合成**核苷酸或者直接将大量预先制备的DNA探针以显微打印的方式有序地固化于支持物表面,然后与标记的样品杂交。因为其支持物表面常是计算机芯片,因此称其为DNA芯片。

DNA芯片类型多样,**括检测基因、染色体或用于临**诊断用的芯片,而其中模仿DNA分子结构进行数据存储的是我们今天讨论的重点,也就是DNA存储芯片。01 碱基与二进制对应,人手长的DNA链可存储10亿G数据

从远古石墙上刻的图案到文字的出现,再到**重要的信息载体书籍的产生,我们产生的信息其实并不多。但自从进入信息时代,人类在过去50年里记录的信息已经远远超过过去2000年的信息。

我们处在信息****的大数据时代,所有互联网中的信息都作为数据保存下来,从网页、应用程序到安防、卫星领域应有尽有。

根据国际数据组织IDC的数据,2013年至2015年全球大数据存储量分别为4.3ZB、6.6ZB、8.6ZB,增速维持在40%左右,而到2016年全球大数据存储量达到16.1ZB,增长率达到87.21%。2017年至2019年全球大数据存储量分别为21.6ZB、33ZB、41ZB,2020年全球数据量达到了60ZB。在大数据领域不断发展的同时,为了满足海量的数据存储需求,存储方式也在不断发生变化。

▲IDC监测2015-2020年全球数据量变化趋势以及2025年预测

DNA是储存遗传信息的载体,携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息,它可以对生物的所有信息进行编码。

上世纪50年代,就有研究人员发现了生物特征和人造物体的关系。DNA分子由四种碱基组成,数据由二进制0和1组成;DNA用来储存遗传信息,数据正好需要一个介质存储,由此苏联物理学家米哈伊尔·萨莫伊洛维奇·内曼(MikhailSamoilovichNeiman)想到,是否可以参考DNA结构来存储数据?

与传统的存储介质不同,DNA存储技术有如下显著优势。

首先是DNA存储密度高。 一个DNA分子可以保留一个物种的全部遗传信息,**大的人类染色体含有近2.5亿个碱基对,那么就意味着一条和人手差不多长的DNA链,就可以存储1EB(1EB=10.74亿G)数据。

与**盘和闪存的数据存储密度相比,**盘存储每立方厘米约为1013位,闪存存储约为1016位,而DNA存储的密度约为1019位。

其次是DNA分子存储具有稳定**。 今年2月,国际顶级学术期刊Nature上的一篇论文称古生物学家在西伯利亚东北部的**冻土层中提取到距今120万年**犸象的遗传物质,并对其DNA进行了解析,这也进一步**新了DNA分子的保存年代纪录。

据悉,DNA至少可保留上**的数据,相比之下,**盘、磁带的数据**多只能保留约10年。

**后,DNA存储维护成本低。 以DNA形式存储的数据易于维护,和传统的数据中心不同,不需要大量的人力、**力投入,仅需要保存在低温环境中。

在能耗方面,1GB的数据**盘存储能耗约为0.04W,而DNA存储的能耗则小于10-10W。 02 低成本扩大规模,可放置数**个DNA序列

上个世纪50年代,科学家已经提出创建人造物体与微观世界的生物特征相似的想法,并且认为该人造物体将具有更加广泛的能力。不到十年,苏联物理学家米哈伊尔·萨莫伊洛维奇·内曼(MikhailSamoilovichNeiman)就独立提出了可以利用DNA和RNA分子来进行信息记录、存储和检索的可能**。

DNA进行数据存储的应用真正开始于1988年, 艺术家乔戴维斯和哈佛大学的研究人员合作,在大肠杆菌的DNA序列中,将一张代表生命和****地球的古代日耳曼符文图片,通过5x7的矩阵存储到DNA序列中。他们用二进制中的1代表图片中的暗像素,0代表图片中的亮像素。

在之后的研究中,研究人员提出了多种DNA存储的编码方式。2011年,研究团队对一本659KB的书籍进行编码,通过一对一对应,由腺嘌呤或胞嘧啶表示二进制中的0,鸟嘌呤或胸腺嘧啶表示1。然而,**后研究人员检查数据存储结果时发现,在DNA中出现了22个错误。这种一一对应的编码方式的**度较低。

DNA是由四种碱基结合成碱基对,并组成螺旋结构。四种碱基分别是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C),然后依据碱基互补配对原则,来排列DNA分子储存遗传信息。这四个代码也为DNA存储芯片提供了一个合适的编码环境。

▲DNA分子结构示意图

DNA存储技术**括信息编码、存储、检索、解码四个步骤。 在计算机中,数据存储需要用二进制0和1来表示,使用DNA来存储数据首先需要将0和1转化为DNA中的四个碱基A、C、T、G,创建具有正确碱基序列的DNA螺旋结构。合成DNA后在体内或体外进行存储。在解码时,DNA测序仪会转录该DNA结构中的碱基序列,通过解码**将其转化为0和1,还原数据信息。

2012年,哈佛大学的研究团队证实,DNA可以作为一种和**盘驱动器、磁带类似的存储介质。他们通过DNA对数字信息进行编码,**括53400字节的HTML草稿,11张JPG图片和一个JavaScript程序,利用位与碱基一对一映射,但这种方式会使得相同碱基长时间运行,测序过程容易出错。

这种简单的一对一编码形式,在2013年得到了突破。欧洲生物信息学研究所(EBI)的研究人员在论文中称,他们已经实现了超过500万位数据的存储、检索和复制,并且所有DNA文件都以99.99%到100%的准确度再现了信息。在编码过程中,研究小组加入了纠错编码方案,并采用了可通过序列识别的重叠短**核苷酸的编码方式。

此后,哥伦比亚大学、华盛顿大学、帝国理工学院等研究团队都开展了一系列研究。

为了证明DNA编码数据的长期稳定**,2015年2月4日,苏黎世联邦理工学院的研究人员在国际顶级期刊AngewandteChemieInternationalEdition上发表了相关论文,研究人员通过Reed-Solomon纠错编码和溶胶、凝胶将DNA封装在二氧化硅玻璃球中来增加冗余,而这可能是DNA存储芯片的**早期形态。

2021年11月起,多个研究团队公布了DNA存储芯片研究的新进展,**括我国东南大学、微软研究院、伊利亚诺州西北大学以及佐治亚理工学院的研究小组。

11月12日,我国东南大**物科学与**学工程学院、生物电子学**重点实验室的刘宏团队成功将校训“止于至善”存入一段DNA序列中,该论文发表于ScienceAdvances。

为了实现DNA存储的微型化、集成化、自动化,该研究小组对测序过程进行了优化。基于电化学的单电极DNA合成和测序方法,通过电化学脱保护技术改进传统亚磷酰胺化学合成方法,并基于电荷震荡现象对电极表面的DNA分子进行测序,成功将校训进行编码和解码。

▲刘宏团队基于电化学DNA合成与测序的DNA数据存储系统流程图(图片来源为东南大学官网)

11月24日,微软研究院与华盛顿大学分子信息系统实验室(MISL)合作在DNA存储上取得突破的论文发表于ScienceAdvances上,该研究小组公布**纳米级DNA存储写入器,DNA芯片上的分子控制器和DNA写入配有PCIe接口,可以一次**构建四**合成DNA,产生**含100个碱基的DNA链。

微软研究院称,更长的DNA链会容易出现错误,但随着**件的发展,这都会得到改进。该项实验证明了DNA螺旋结构扩大存储规模的可能**。

今年11月29日,伊利诺伊州西北大学合成生物学中心提出了将信息记录到DNA的新方法发布于《基因组学研究(TechnologyNetworks)》期刊中,在编码环节他们试图通过DNA本身具有的能力来创建一种新的数据存储解决方案。

在实验过程中,他们使用一种新的酶促系统来合成DNA,将快速变化的环境信号直接记录到DNA序列中。西北大学工程学教授KeithEJTyo称,通过直接控制合成DNA的酶,可以实现提前表达和连续存储信息。

为了使DNA数据存储在扩大存储规模的同时能降低成本,12月1日,佐治亚理工学院(GTRI)高级研究科学家尼古拉斯·吉斯(NicholasGuise)在接受外媒英国广播公司(BBC)采访时说:“我们新芯片上的功能密度大约比当前的商业设备高出100倍。”

他们设计的芯片可以以极低的成本,通过超密集格式使DNA链实现增长,获得大规格的存储容量。这个微芯片配备了10组几百纳米深的“微孔”,使得DNA分子在这中间平行生长,**终在芯片上积压了数**个DNA序列。相比于传统的合成DNA制造过程,这种方法采用电化学局部激活合成,成本更加低廉。

▲佐治亚理工学院(GTRI)研究小组实验编码解码过程(图片来源为论文插图)03 合成2MB需要7000**元,读取需要2000**元

不断的研究表明,DNA存储技术将成为跨时代的存储方式。但从上世纪50年代提出至今,其发展一直没有重大的实质**进展。微软研究院作为DNA数据存储的早期入局者,2015年开始进行相关研究,直到2019年才有研发进展,他们展示了一个全自动系统来编码和解码DNA中的数据信息。

DNA存储芯片能够实现高密度、长时间的存储特**,但目前该项技术还不能广泛运用于计算机领域,目前主要针对一些不常用但需要保存的内容。DNA存储芯片无法商业化,大概有以下几点原因。

首先,DNA存储数据的写入和读取成本高昂。 2017年哥伦比亚大学的实验显示,合成2MB的DNA数据需要7000**元,而读取数据需要2000**元,尽管这相比于2013年每兆12400**元的成本已经大大降低,但如果用户需要以DNA形式储存1GB的电影,编码大约需要花费358万**元,而读取数据还需要102万**元。

其次,DNA存储数据的解码过程需要大型工具。 目前DNA存储技术的解码过程,还需要依赖测序仪对DNA分子进行排序,市面上量产的测序仪大多都用于小型实验室、临**应用等时效**要求较高的场景,距日常使用还很远。

▲测序服务供应商Illumina的测序仪产品iSeq100(图片来源为Illumina官网)

此外,DNA存储技术的读写速度慢。 2021年12月初,佐治亚理工学院的研究将DNA存储速度提升到了每天写入20GB数据,目前固态**盘的读写速度大约为每秒500MB。IDC《数据时代2025》的报告显示,全球每年产生的数据在2025年将达到175ZB,相当于每天产生491EB的数据。即使DNA存储芯片的密度足够大,其实时读取速度也无法满足当前的数据存储需求。

DNA存储芯片是未来大容量存储较为理想的介质,目前的研究进展大部分都处于概念验证阶段,其**件设备的落地还需要很长一段时间。 04 结语:DNA存储商业化的关键,实现低成本、高密度

DNA存储芯片存储密度高、稳定**高、易于维护的优势决定了它成为下**存储设备的可能。不过该项技术的进一步商业化还有很多限制,例如成本高昂、存储环境限制较多、实时读取速度慢等,这些都表明其变成主流存储设备还有很长一段路要走。

我们处于数字时代,从智能手机、平板、PC到可穿戴设备每天都会产生大量信息,因此这个现实条件决定,找到**能要求更高且更加低成本的存储设备迫在眉睫。

DNA的半衰期为521年,在一个冰冷或合适的条件下,DNA可以持续存在数十万年,甚至几**年,如果DNA存储技术真正实现商用,在未来,我们的数据档案可能将变成“化石”留存下来。

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