DNA存储场景下的大小喷泉码模型设计

在DNA存储等应用场景中,传统喷泉码算法需要占用额外信道资源将源文件分组数目K传递给解码端。在实际应用中,虽然可以将K嵌入在每一个编码数据分组中进行传递,但这种做法会严重浪费信道的带宽。针对上述问题,提出了一种大小喷泉码模型,通过增加小喷泉码这一带外信道来优化关键参数的传递。小喷泉码将每个编码分组中有关参数K所占用空间的粒度降至1 bit,有效减少了带宽资源的消耗。此外,小喷泉码还能适应由于DNA存储介质不均匀所导致的编码序列不定长的限制条件,一定条件下甚至可以完全不占用额外信道带宽。

DNA存储场景下基于引物索引矩阵的文件高效随机检索方法

DNA分子具有密度高和稳定性的优势,有望成为下一代海量数据存储需求的介质,近年来受到广泛关注。目前将引物作为文件的唯一标识,基于聚合酶链式反应(PCR)扩增技术可实现对DNA池存储文件的随机检索,但对引物与文件之间的分配和映射关系没有进行深入研究,仍然采用随机分配的方式来关联引物与文件,这会导致目标引物序列的查找效率降低,且保存引物与文件的映射关系表会造成大量的数据冗余。为了提供一种高效的硅基计算设备与碳基存储系统的连接桥梁,有效降低存储引物与文件映射关系所带来的数据冗余,该文提出一种基于引物索引矩阵的DNA存储随机检索方法。该方法通过将存储文件集按照文件的不同属性进行划分来构建引物索引矩阵,同时将引物库中的引物按照转换规则转化为有序引物库,最后优化引物与文件之间的映射关系,以实现对文件的高效、多维度检索。实验结果表明,在存储不同规模的文件集时,运用所提算法建立对应的引物索引矩阵,可将引物检索效率提高为常数级时间复杂度,并且存储引物与文件的映射关系所需要的额外存储空间从原来的线性增长优化为对数增长。

基于纳米孔读取的DNA存储发展与展望

现代社会正处于数据爆炸的时代,全球对数据存储的需求已经远远超过了已有的存储能力。DNA是一种天然的遗传信息载体,可实现稳定、高效、低功耗的数据存储。目前的DNA存储过程主要分为6个环节:编码、写入、保存、检索、读取、解码。纳米孔测序技术被广泛应用于读取DNA中所存储的信息。该文系统性地介绍了纳米孔分子检测技术的原理和发展历史,及其在DNA存储中的应用。此外,该文总结了机器学习在纳米孔检测技术中的应用,着重介绍了结合机器学习的新型纳米孔检测技术。该文为纳米孔检测技术的发展提供了新方向,也为新型实用化DNA存储系统的发展奠定了基础。

DNA存储技术的数据安全研究进展

随着现代科学技术的不断迭代升级,人类生产生活中产生的数据量呈爆炸式增长,传统的硅基存储介质(如硬盘、闪存等)逐渐无法满足全球范围内的数据存储需求。DNA因其存储密度大、存储时间长、能源消耗低等颠覆性的优势被认为是新一代的理想存储介质。该文围绕DNA存储技术,首先阐述了其基本原理与流程;其次,在传统数据安全的范畴下,结合近期DNA存储领域的相关研究,归纳介绍了DNA存储技术的数据安全研究现状,包括数据加密、数据弹性、恶意攻击检测等;最后,讨论了现阶段DNA存储技术的数据安全所面临的挑战及发展趋势。随着多学科交叉协同发展,在广角度多层面的数据安全保护下,DNA存储技术有望解决海量数据存储需求与有限存储资源间的供需不平衡问题,实现多场景的商业化应用。

深度学习在DNA存储读段重建的应用

DNA存储技术是一项着眼于未来的具有划时代意义存储技术,它将数字信息编码为核苷酸序列,然后通过化学合成将序列写入DNA分子,最后通过DNA测序技术读取信息。相较于电子存储技术,其在信息密度、数据安全性以及保存年限等方面具有极大的优势。然而在DNA存储技术的数据读取端,测序读段存在着大量碱基替换、插入和删除错误,因此需进行读段重建来恢复原始数据。读段重建方法要求高成功率以及一定的时效性,以实现文件可靠存取并提高DNA存储技术的读写效率。文章介绍了现有的基于深度学习的读段重建模型,通过对模型架构、重建理念以及纠错能力等方面的比较指出了目前研究的局限性,并展望了未来深度学习在读段重建中可能的研究方向。

DNA存储文件系统研究进展

DNA存储因具有密度大、保存时间长及维护成本低等优点,为解决海量数据的存储和应用难题提供了“破局”可能。面对大规模数据应用场景,DNA存储必须要解决如何组织、访问和操作数据文件等问题—即文件系统设计问题。该文首先结合计算机文件系统模型,给出了未来DNA存储文件系统模型及具备的特点;然后,系统性综述了DNA存储文件系统研究进展;最后,对未来DNA存储文件系统研究进行了展望。

DNA存储领域的专利分析

DNA存储领域是一种融合DNA和存储介质的新兴技术,已引起各国家、企业和高校的关注与研究。本文以智慧芽专利库检索得到DNA存储领域专利作为研究基础,从专利视觉,对DNA存储领域的专利申请趋势、技术分布、技术主题以及申请人进行梳理分析,以期为相关企业和高校在DNA存储领域的专利布局提供借鉴。

DNA存储技术的中美对比研究

DNA存储作为新兴技术,与传统的数据存储方法相比,具有超强的存储容纳性、稳定性和安全性,在海量数据存储、机密数据存储与传递中具有巨大应用前景。本文从论文发表情况、专利申请情况、相关政策以及重点企业4个方面,对比研究了中国与美国在DNA存储技术领域上的差异。最后,结合中国的实际情况,为中国DNA存储技术的发展提出了建议。

DNA存储技术国际发展态势分析

随着互联网和人工智能等信息技术和数字技术的快速发展,信息量呈指数级飞快增长,传统的硅基存储设备将面临发展瓶颈,而DNA存储具有数据存储密度大、稳定性好、能效低、存储时间长、易备份等优势,可成为数据存储的有效工具。本文对DNA存储技术的发展历程及发展现状进行了概述,对在DNA存储技术领域方面有政策规划与举措的主要国家和地区进行梳理,同时围绕DNA存储技术领域采用文献计量开展国际研发态势研究,结果显示DNA存储技术相关论文发表和专利申请持续增加;国家及地区方面,美国、欧洲及我国已经引起重视并进行了相应布局,美国在DNA存储技术的论文和专利研发上占绝对优势,我国在该领域活跃程度也相对较强。此外,本文进一步分析了该技术领域的发展现状和存在的问题与挑战,并对我国相关技术发展提出了对策建议。

DNA存储中的编码技术

脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid,DNA)是一种天然的信息存储介质,具有存储密度高、存储时间长、损耗率低等特点。在传统存储方式不能满足信息增长的需求时,DNA数据存储技术逐渐成为研究热点。DNA编码是用尽可能少的碱基序列无错的存储数据信息,包括压缩(尽可能少的占用空间)、纠错(无错存储)和转换(数字信息转为碱基序列)3部分。DNA编码是DNA存储中的关键技术,它的结果直接影响存储性能的优劣和数据读写的完整。本文首先介绍DNA存储的发展历史,然后介绍DNA存储的框架,其中重点介绍DNA编码技术,最后对DNA存储中的编解码技术的未来发展方向进行讨论。

DNA存储及其研究进展

DNA存储是一种以生物大分子DNA作为信息载体的一种新的存储技术。与传统的电子信息存储相比,DNA存储具有容量大、密度高、低能耗等优点。随着DNA合成、测序技术的发展以及大数据时代对数据存储需求的指数增长,近年来DNA存储在存储容量、密度以及可靠性等方面都取得了巨大的进展。该文主要介绍了DNA存储的发展历史、DNA存储的基本流程、DNA存储在数据库、文档存储以及体内存储的研究进展。最后,总结了DNA存储未来面临的挑战以及发展方向。

DNA存储中的纠错方法综述

携带有遗传信息的脱氧核糖核酸DNA,具有密度高、维护成本低以及保存时间久等特点.在数据存储需求呈指数级增长趋势的时代背景下,DNA有望成为取代传统存储设备的潜在存储介质.由于DNA存储过程会不可避免地引入一些错误,纠错是目前DNA存储面临的一个主要问题.文章分析了DNA存储信道的复杂性,系统地总结了近年来DNA存储研究在纠错技术方面的进展,以及DNA存储纠错技术未来面临的挑战和发展方向.

DNA存储技术的复杂度概述

DNA以其超高的数据密度、超长的存储时间和较低的维护成本,成为了极具潜力的新型存储媒介.目前DNA存储技术的发展仍然面临着几大挑战:①远高于传统存储技术的错误率;②DNA存储分子明显的分布不均;③存储分子的丢失.文章给出了现有DNA存储技术的主要框架:合成、PCR和测序,对存储框架的主要过程进行描述和讨论,并从存储分子内部错误、存储分子分布不均和存储分子丢失3个方面分析了DNA存储技术的复杂度.最后还指出了现有DNA存储技术中硬件和软件方面的改进方向,以及对未来DNA存储技术发展的期望.

Chamaeleo:DNA存储碱基编解码算法的可拓展集成与系统评估平台

近年来DNA存储因其数据存储密度与保存时间方面的优势而备受关注,有望在如光盘、硬盘等传统存储介质之外作为一种新型信息存储方式,满足海量数据存储及特殊应用领域数据加密存储的迫切需求。DNA存储流程中,二进制信息到DNA碱基序列的相互转换(即编解码)方法是实现数字信息技术与生物技术衔接的最核心步骤。尽管DNA存储编解码研究已有丰富进展,但与现有上下游衔接技术的兼容性,对不同存储文件的适配性、存储稳健性和数据安全性等尚缺少一个可量化比较与评估的系统。因此,本研究开发了一个DNA存储编解码方法的可扩展集成与评估平台Chamaeleo,以模块化集成方式对已开发的编解码方法进行系统性量化分析与评估,可针对不同类型文件进行编解码方法的择优方案输出。Chamaeleo以开源方式运行,以便于未来新编解码方法和评价指标的持续加载,促进该领域开放交流,推动规范化有序发展。

DNA信息存储核心技术及其发展

在过去的几十年里,互联网技术的发展和普及推动人类进入了数字信息时代,互联网已成为人类生活的重要组成部分。随着数字化生活方式的到来,人们每时每刻都在产生大规模的数字信息,如何将这些信息进行便捷有效的存储是个必须面对的问题。针对数据存储面临的种种问题,该文从现有的存储方式和存储介质出发,对当前存储领域进行深入研究,分析了DNA作为未来大数据存储介质的优势,以及DNA存储的核心技术和潜在的应用前景。另外,该文通过对DNA信息存储的核心技术进行剖析和讨论,提出了未来DNA信息存储发展的趋势和见解,以期对DNA信息存储发展提供新的思路。

DNA数据存储--机遇与挑战

自人类进入信息时代以来,全球信息总量飞速膨胀,为数据存储行业带来极大挑战。当前的信息存储工具存在许多缺陷,如信息密度低、使用寿命短、环境污染等,而脱氧核糖核酸(DNA)作为天然的遗传信息载体,具有信息密度高、稳定性高、保存时间长、维护成本低等优点,可能成为信息存储领域的卓越选择。尽管DNA存储目前面临读写成本高、速度慢、错误率高等挑战,但在某些领域也有着独特的优势,如“冷”数据存储和军事加密存储等。目前,DNA存储的潜在发展方向主要包括在军事、航空航天等特殊场景下的应用,高容错的编解码方案,生物活体存储体系,脱离测序的信息读取方法,以及集成化的存储系统和统一行业标准等。希望在不久的将来,DNA存储能够实现规模化应用,迎来数据存储的新纪元。

DNA数据存储中DNA保存技术的研究进展与挑战

数据信息的规模呈指数级增长与现有存储介质储存能力不足的矛盾日益凸显,亟需通过开发新型介质解决相应问题。DNA基于其数据存储密度超高、能耗低及寿命长等特点,作为一种新兴的数据存储媒介备受关注,尤其在海量“冷数据”存储方面,有望替代现有存储方式。在数据存储过程中,DNA的有效保存是其中重要的一环,该环节直接影响数据的存储密度、稳定性、存储时间,以及数据的写入和读取。针对目前文献中关于DNA保存技术的介绍较少,该文综述了数据存储中DNA保存技术的研究进展和策略,讨论了现有的DNA保存技术应用在DNA数据存储中面临的困难与挑战,对DNA数据存储的实现方式进行了展望。

非天然碱基基因密码扩展DNA数据存储的机遇与挑战

目前,传统的存储技术主要将硅基材料作为存储介质,但全球现有的硅资源却无法满足日益增长的数据存储需求。随着数据时代的发展,存储技术创新面临新的挑战。在自然界,DNA分子储存着丰富的遗传信息。从化学生物学的角度分析,将DNA分子作为介质进行数据信息存储有望为存储技术的创新提供一个新机遇,而非天然碱基核苷酸可以扩充遗传字母表,增加DNA存储容量,但在其实际应用方面,目前还有很多问题待解决。该文综述了DNA存储技术的研究进展,对当前DNA存储现状、待解决的技术难题与发展前景等进行了分析;并在此基础上,介绍了非天然碱基对(UBPs)作为合成生物学的一个新方向在DNA信息存储领域的潜在优势和技术挑战。

流式BMRC:基于算术编码的pcDNA存储方案

生物学研究表明,DNA蛋白质编码(protein-coding DNA,pcDNA)是一种具有一定的容量但不均匀的信息,受限于多种生物学条件,其存储介质模型不同于传统的计算机二进制存储。现有方案或无法高效利用其存储空间,或计算复杂度偏高。针对上述问题,提出了一种基于算术编码的编码方法——流式BMRC算法,使用重整化技术并通过输出符号的概率分布拟合,实现蛋白质编码DNA中的低复杂度、高效利用信息空间的任意信息存储。分析表明,该算法可以高效利用蛋白质编码DNA在生物学条件限制下的信息容量,且具有线性计算复杂度,技术优势明显。

基于混沌系统和喷泉码的DNA加密编码方法

在这个海量数据时代,DNA是一种很好的新信息存储媒介。与传统的物理存储介质相比,它具有能耗低、存储密度高、存储寿命长等固有的优点。随着DNA存储技术的快速发展,如何保障新技术下的信息安全至关重要。为此,该文结合加密领域研究和DNA编码领域研究,提出了一种基于混沌系统和喷泉码的DNA加密编码方法,利用混沌系统加密原理,在DNA喷泉码编码过程中进行加密,在保留DNA喷泉码特性的同时,保障了编码信息的安全性。该方法可用于任意类型数据,可实现高信息密度和任意约束条件的DNA编码。同时,通过仿真实验证明,该方法可以有效抵抗多种密码学攻击,并对DNA存储过程产生的数据错误有一定纠错能力。