DNA Data Storage คืออะไร ? มีแนวคิดการเก็บข้อมูลอย่างไร ?

DNA Data Storage คืออะไร ? มีแนวคิดการเก็บข้อมูลอย่างไร ?

โลกในปัจจุบันนี้ เป็นโลกแห่งดิจิทัลที่เต็มไปด้วยข้อมูลจำนวนมหาศาล โดยถ้าหากเรา อ้างอิงจากข้อมูลใน ปี ค.ศ. 2020 (พ.ศ. 2563) บนโลก อินเทอร์เน็ต (Internet) นั้นมีข้อมูลจำนวนมหาศาลเกิดขึ้นมากมายภายในเวลาเพียง 1 นาที มีคนอัปโหลดวิดีโอขึ้นไปบน YouTube ความยาวรวมกัน 500 ชั่วโมง, มีการโพสต์ Stories บน Instagram 347,222 ครั้ง, มีเพลงใหม่ถูกเพิ่มเข้าไปใน Spotify 28 เพลง, มีข้อความที่ถูกส่ง 41,700,000 ครั้ง และกิจกรรมอื่นๆ ที่เกิดขึ้นอีกมากมาย

ภาพจาก : https://www.statista.com/chart/17518/data-created-in-an-internet-minute/

ปัญหาด้านพื้นที่สำหรับจัดเก็บข้อมูล

จากภาพด้านบน จะเห็นได้ว่าปริมาณข้อมูลที่เกิดขึ้นในโลกดิจิทัล แม้จะเป็นแค่เพียงช่วงเวลา 1 นาที มันก็มีขนาดใหญ่มากขนาดไหน และมันก็มีแนวโน้มที่ข้อมูลจะมีขนาดใหญ่โตมากขึ้นเรื่อย ๆ

มีการคาดการณ์เอาไว้ว่า ผู้ใช้หนึ่งคนจะมีการสร้างข้อมูลขนาด 1.7 MB. ต่อวินาที ซึ่งหนึ่งปีมี 31, 556,926 วินาที คิดเป็น 53,646,774.2 MB. หรือประมาณปีละ 53.64 TB. ต่อคน ประชากรโลกในตอนนี้มีอยู่ประมาณ 775,300,000,000 คน ลองจินตนาการดูว่าเราจะต้องใช้พื้นที่ในการเก็บข้อมูลจำนวนมหาศาลนี้มากขนาดไหน

ข้อมูลบนโลกอินเทอร์เน็ตส่วนใหญ่ก็จะถูกเก็บเอาไว้ในศูนย์ข้อมูล (Data Center) ซึ่งมีขนาดใหญ่ จำเป็นต้องใช้พื้นที่, พลังงาน และทรัพยากรเป็นจำนวนมากในการบริหารดูแล มันเป็นปัญหาที่มีแต่จะหนักขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป เพราะขนาดข้อมูลมีแต่ละใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ การจะลงทุนสร้าง Data centers เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ให้ทันต่อความต้องการของพื้นที่จัดเก็บข้อมูล จึงไม่ใช่ทางออกในระยะยาว เพราะมันสิ้นเปลืองเงินลงทุนอย่างมหาศาล และทำให้การบริโภคพลังงานสูงขึ้น ซึ่งส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย

ทางออกจึงเป็นการหาวิธีจัดเก็บข้อมูลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นกว่าที่นิยมใช้ในปัจจุบันนี้ ไม่ว่าจะเป็น ฮาร์ดดิสก์ (Harddisk - HDD), NAND, หรือแผ่นดิสก์ (Disc) ชนิดต่าง ๆ ซึ่งทางเลือกใหม่ที่ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังวิจัยกันอยู่ และเกิดขึ้นจริงแล้ว คือ การเก็บข้อมูลลงใน DNA ซึ่งถูกเรียกว่า DNA Data Storage

ทำไมถึงเก็บข้อมูลลงใน DNA Data Storage ?

ย้อนกลับไปในปี ค.ศ. 1959 (พ.ศ. 2502) Richard Feynman นักฟิสิกส์ผู้มีชื่อเสียงในสมัยนั้นได้นำเสนอแนวคิดว่า "There's Plenty of Room at the Bottom" ซึ่งหากแปลเป็นภาษาไทยก็ประมาณว่า "ด้านล่างนั้นยังมีที่ว่างเหลืออีกเยอะ" โดยเขามองถึงความเป็นไปได้ในการพัฒนาสิ่งต่าง ๆ โดยเจาะลึกลงไปถึงการจัดการสสารในระดับอะตอม (Atoms) เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็ก (Nano Machine) จากการเรียงตัวของอะตอม

ซึ่งแนวคิดดังกล่าวเรื่องการพัฒนาเทคโนโลยีให้ดีขึ้น ด้วยการใช้นาโนเทคโนโลยีก็เป็นเรื่องธรรมดาในวงการคอมพิวเตอร์ ในหน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูล เราจะสังเกตได้ว่าแม้ฮาร์ดไดรฟ์จะมีขนาดเท่าเดิม แต่ความจำของมันกลับมีความจุสูงขึ้นกว่าสมัยก่อน นั่นก็เพราะว่าผู้ผลิตสามารถทำให้ "ความหนาแน่น" ของหน่วยเก็บข้อมูลบนจานแม่เหล็ก หรือชิป มีขนาดเล็กลงได้ ทำให้แม้ว่าพื้นที่จะมีขนาดเท่าเดิม แต่ปริมาณหน่วยเก็บข้อมูลนั้นมีเยอะกว่าเดิม อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีของการเก็บข้อมูลลงในจานแม่เหล็ก หรือชิป NAND นั้นเริ่มถึงทางตันยากที่จะหาทางทุบกำแพงที่ปิดกั้นอยู่ได้ด้วยเทคโนโลยีที่มีในขณะนี้

นักวิทยาศาสตร์จึงมีแนวคิดที่ใหม่ที่จะเก็บข้อมูลลงใน DNA (Deoxyribonucleic Acid) แทน

โดย DNA (Deoxyribonucleic Acid) นั้นเปรียบเสมือน สื่อบันทึกข้อมูลของสิ่งมีชีวิต ข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตจะถูกบันทึกเอาไว้ใน DNA การที่เราเกิดมามีลักษณะคล้ายพ่อ และคล้ายแม่ นั่นก็เพราะเราเกิดมาจากการรวมข้อมูล DNA จากอสุจิของพ่อ และไข่จากแม่นั่นเอง ซึ่งเราขออนุญาตไม่อธิบายเรื่องคุณสมบัติของ DNA อย่างละเอียดนะ เพราะมันจะกลายเป็นวิชาชีววิทยาไปเสียก่อน

โครงสร้างของ DNA จะประกอบด้วยโครงสร้างทางเคมีที่เรียกว่านิวคลีโอไทด์ (Nucleotides) เหมือนตัวต่อที่เรียงต่อกันไปเรื่อย ๆ โดยในตัวต่อแต่ละชิ้นก็จะประกอบไปด้วยสารในกลุ่มฟอสเฟต (Phosphate), กลุ่มน้ำตาล (Sugar) และกลุ่มไนโตรเจนที่ประกอบไปด้วยสาร 4 ชนิด

ไนโตรเจนทั้ง 4 ชนิด ที่อยู่ใน DNA นี้จะประกอบไปด้วย

1. Adenine - A : อะดีนีน
2. Cytosine - C : ไซโตซีน
3. Thymine - T : ไทมีน
4. Guanine - G : กวานีน

ภาพจาก : https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-2-molecular-biology/26-structure-of-dna-and-rna/dna-structure.html

การที่มนุษย์แต่ละคนมีความแตกต่างกัน ก็เกิดมาจากการเรียงตัวของชุดข้อมูล A, C, T และ G ที่อยู่ภายใน DNA นั่นเอง เราเรียกค่าเหล่านี้ว่ารหัสพันธุกรรม (Genetic Code) ยกตัวอย่างเช่น หากมันเรียง "ATCGTT" มนุษย์คนนั้นก็จะมีนัยน์ตาสีฟ้า ในขณะที่หากเรียง เป็น "ATCGCT" ก็จะมีนัยน์ตาสีน้ำตาล เป็นต้น

ลองคิดตามว่ามนุษย์นั้น มีลักษณะทางกายภาพที่แตกต่างกันทั้งภายนอก และภายใน โดยในร่างกายมนุษย์นั้น มีส่วนประกอบจำนวนมหาศาล ซึ่งทั้งหมดถูกสร้างขึ้นด้วยชุดข้อมูลที่อยู่ภายใน DNA หากเปรียบเทียบ DNA เป็นฮาร์ดดิสก์แล้ว มันก็จะเป็นฮาร์ดดิสก์ที่มีขนาดเล็กนิดเดียว แต่มีความจุต่อพื้นที่สูงกว่าอย่างไม่สามารถนำมาเปรียบเทียบกันได้เลย

ในขณะที่พื้นฐานการทำงานของคอมพิวเตอร์ จะอยู่ในรูปแบบไบนารี (Binary) ซึ่งประกอบไปด้วย "0" และ "1" ส่วนรหัสพันธุกรรม (Genetic Code) ที่อยู่ใน DNA ประกอบไปด้วย "A", "C", "T" และ "G" ตามที่ได้กล่าวไป

จำนวนไม่เท่ากันก็จริง แต่ก็ไม่ใช่เรื่องยากอะไร ที่จะเข้ารหัสรูปแบบข้อมูลจาก "0" และ "1" ไปเป็น "A", "C", "T" และ "G" เช่น "A =00", "T=01", "C=10" และ "G=11" จากนั้นสิ่งต้องทำก็แค่การจัดเรียง Genetic Code ใหม่ตามความต้องการ เท่านี้เราก็จะได้พื้นที่เก็บข้อมูลชนิดใหม่ที่มีความจุสูงกว่าเดิมหลายเท่าแล้ว

ที่เรากล่าวไปนี้ไม่ใช่แค่แนวคิด หรือเรื่องเล่าจากนวนิยายนะ แต่มันเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นแล้วจริงๆ และทำได้จริงแล้วด้วยเช่นกัน แต่เนื่องจากยังมีปัญหาที่ต้องได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น ไม่ว่าจะเป็นการคงสภาพของ DNA ที่ต้องอยู่ในอุณหภูมิที่กำหนด, ความเร็วในการเข้ารหัส และถอดรหัสข้อมูลจากรหัสพันธุกรรม (Genetic Code) ให้กลับมาเป็นรูปแบบไบนารี (Binary), ต้นทุนในการผลิต และอื่นๆ อีกมากมาย มันจึงยังต้องใช้เวลาอีกนานกว่าที่มันจะกลายเป็นเทคโนโลยีที่มาแทนที่อุปกรณ์เก็บข้อมูลอย่าง HDD หรือ SSD ได้

ข้อมูลเพิ่มเติม : RAM คืออะไร ? HDD คืออะไร ? SSD คืออะไร ? และแตกต่างกันอย่างไร ?

ความจุต่อพื้นที่ของ DNA Data Storage

การที่นักวิทยาศาสตร์มองว่า DNA Data Storage จะเป็นพื้นที่เก็บข้อมูลแห่งอนาคตนั้น มันมีเหตุผลสำคัญอยู่ นั่นก็คือ ความจุต่อพื้นที่ของมัน

สำหรับคนที่ไม่เข้าใจว่าเรื่องนี้สำคัญอย่างไร ? ลองคิดถึงหน่วยความจำในอดีตไล่มาจนถึงปัจจุบันน่าจะทำความเข้าใจกับปัญหานี้ได้

ภาพด้านล่างนี้ คือ IBM 350 Disk Storage Unit ที่ได้ถูกเปิดตัวขึ้นในปี ค.ศ. 1956 (พ.ศ. 2499) ขนาดใหญ่ขนาดไหนก็ลองเปรียบเทียบกับเด็กที่นอนอยู่บนตัวเครื่องเอาละกัน ส่วนความจุของมันก็ประมาณ 3.75 MB. เท่านั้น (เอง) ...

ส่วนปัจจุบันนี้ การ์ด MicroSD ที่มีขนาดเท่าปลายนิ้วของเรา มีความจุสูงถึง 1 TB. หรือเทียบเท่ากับเจ้าเครื่อง IBM 350 Disk Storage Unit (ภาพด้านบน) นี้กว่า 266,666 เครื่อง

ภาพจาก : https://sea.mashable.com/tech/5044/a-1tb-microsd-card-is-as-insane-as-it-sounds-but-wait-for-it-to-get-cheaper

แต่การ์ด MicroSD ที่ว่าเล็กแล้ว ก็ยังเทียบกับ DNA Data Storage ไม่ได้แม้แต่นิดเดียว หากเทียบกันความจุต่อพื้นที่แล้วแล้ว DNA Data Storage จิ๋วเพียงก้อนเดียว (ดูภาพเปรียบเทียบกับการ์ด MicroSD) จะมีความจุถึง 1 TB. หากนำลูกบาศก์ดังกล่าวมาเรียงจนเต็มขนาดเท่ากับพื้นที่ของการ์ด MicroSD ก็จะได้ความจุประมาณ 7,000 TB. เยอะกว่าถึง 7,000 เท่า เลยทีเดียว

อย่างไรก็ตาม ในปี ค.ศ. 2017 (พ.ศ. 2560) ผลจากการวิจัยของ Erlich และ Dina Zielinski นักวิทยาศาสตร์แห่งศูนย์วิจัย New York Genome Center ได้เปิดเผยว่า ได้ค้นพับวิธีเข้ารหัสข้อมูลลงใน DNA เทคนิคใหม่ ซึ่งในทางทฤษฎีแล้ว จะทำให้ DNA ปริมาณเพียง 1 กรัม สามารถบรรจุข้อมูลลงไปได้ถึง 215 PB. (Petabytes) หรือเทียบเท่ากับ 220,160 TB. เลยทีเดียว

เทียบกับเทคโนโลยีในปัจจุบันนี้ หน่วยความจำ SSD แบบ NVMe ขนาด 1 TB. มีน้ำหนักประมาณ 10 กรัม หากนำ DNA Data Storage ที่น้ำหนักเท่ากันมาเปรียบเทียบ พื้นที่ความจุที่ได้ก็จะแตกต่างกันถึง 2,201,600 เท่า หากนำข้อมูลดิจิทัลทั้งหมดที่มีในโลกมาบันทึกลงใน DNA Data Storage จะใช้พื้นที่เทียบเท่ากับกล่องรองเท้าเพียงคู่เดียวเท่านั้นเอง

ข้อดีของ DNA Data Storage

การนำ DNA มาใช้เป็นพื้นที่เก็บข้อมูลมีข้อดีกว่าการเก็บข้อมูลแบบดิจิทัลในปัจจุบัน อยู่หลายด้าน ดังต่อไปนี้

• ความจุต่อพื้นที่สูงกว่าเดิมหลายเท่า การเก็บข้อมูลแบบดิจิทัลในปัจจุบัน ต้องมีศูนย์ข้อมูลระดับ Data Center ที่มีขนาดใหญ่โต เปลืองพื้นที่ และพลังงานในการดูแลรักษาสูงมาก แต่หากเป็น DNA Data Storage จะใช้พื้นที่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

• การบันทึกข้อมูลแบบดิจิทัลในปัจจุบัน ไม่ว่าจะอยู่ในรูปแบบ HDD, SSD หรือไดร์ฟ DVD ก็ตาม มันจะมีการเสื่อมสภาพเกิดขึ้นตลอดเวลา แต่ DNA นั้น หากอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม จะสามารถอยู่ได้หลายร้อยปีเลยทีเดียว

• การสำรองข้อมูลของ DNA Data Storage ในทางทฤษฎีแล้วเป็นเรื่องที่ค่อนข้างง่าย มันไม่จำเป็นต้องคัดลอก แล้วส่งไปยังฮาร์ดแวร์ตัวใหม่เพื่อสำรองข้อมูล มีนักวิทยาศาสตร์ได้นำเทคนิคโคลนนิ่ง (Cloning) มาใช้ทดสอบกับ DNA ที่มีข้อมูลบรรจุเอาไว้ โดยนำ DNA ดังกล่าวไปฝากไว้กับแบคทีเรีย (Bacterium) จากนั้นก็ปล่อยให้แบคทีเรียดังกล่าวแบ่งตัวเองเพื่อเพิ่มจำนวน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์พบว่า แบคทีเรียที่แบ่งตัวมาใหม่มี DNA เหมือนเดิมทุกประการ ไม่มีข้อมูลสูญหาย หรือเสียหายแม้แต่นิดเดียว

ข้อเสียของ DNA Data Storage

เราได้อ่านข้อดีของ DNA Data Storage กันมาเยอะแล้ว อย่างไรก็ตาม มันก็ยังเป็นเทคโนโลยีที่มีหนทางอีกยาวไกล กว่าที่มันจะสามารถใช้เป็นหน่วยความจำหลักที่เราใช้งานกันในชีวิตประจำวันได้ 

ข้อเสียของ DNA Data Storage ยังมีอยู่หลายอย่างดังนี้

• การบันทึกข้อมูลลงใน DNA Data Storage อาศัยการสังเคราะห์ DNA ด้วยวิธีทางเคมี ซึ่งมีต้นทุนในการทำสูงมาก โดยมีค่าใช้จ่ายประมาณ $7,000 (ประมาณ 240,000 บาท) ในการเข้ารหัสข้อมูลขนาด 2 MB ลงใน DNA และมีค่าใช้จ่ายอีกประมาณ $2,000 (ประมาณ 69,000 บาท) ในการถอดรหัสข้อมูล จนกว่าที่นักวิทยาศาสตร์จะค้นพบวิธีการที่ง่าย และต้นทุนถูกกว่าเดิมได้ ก็คงเป็นเรื่องยากที่จะนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในเชิงพาณิชย์

• การบันทึกข้อมูล และอ่านข้อมูล ใช้ระยะเวลานาน และยังต้องอาศัยเครื่องมือในห้องทดลองในการทำงาน อย่างไรก็ตาม ในปี ค.ศ. 2019 (พ.ศ. 2562) ทาง Microsoft เคยสาธิตการพัฒนาอุปกรณ์ที่สามารถอ่านเขียนข้อมูลลงใน DNA ได้แบบอัตโนมัติออกมาให้ชมอยู่

คลิปวิดีโอจาก : https://news.microsoft.com/innovation-stories/hello-data-dna-storage/

• DNA Data Storage จำเป็นต้องเก็บที่มืด และอุณหภูมิต่ำตลอดเวลา เพื่อคงสภาพ DNA เอาไว้ให้สมบูรณ์ จึงยากต่อการนำมาใช้ในอุปกรณ์ที่อยู่ในชีวิตประจำวัน

• แรกเริ่มเดิมที การสังเคราะห์ DNA เป็นวิทยาการที่ถูกวิจัยเพื่อการศึกษาด้านวิทยาศาสตร์ของสิ่งมีชีวิต การจะพัฒนา DNA เพื่อใช้เป็นสื่อสำหรับจัดเก็บข้อมูลในเชิงพาณิชย์จึงเหมือนเป็นศาสตร์แขนงใหม่ที่มีความท้าทายสูง เหมือนเพิ่งเริ่มต้นขึ้นด้วยซ้ำไป