Le Département de la Défense veut résoudre un problème majeur lié au stockage de ses données massives d'archives. Et l'IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity) – l’Agence gouvernementale chargée de s'attaquer aux défis qui se posent à la communauté du renseignement américain – mise sur le stockage à base d'ADN synthétique, un support de stockage d'informations efficace et robuste qui a fait ses preuves.Pour stocker des données sur l'ADN synthétique, les fichiers numériques doivent d'abord être convertis du code binaire 1 et 0 au format utilisé pour les séquences d'ADN A, C, T et G. L'ADN est ensuite synthétisé en courts segments qui sont identifiés par une sorte de code à barres qui indique où se trouve ce segment par rapport à la séquence entière, ce qui permet aux lecteurs de ne rappeler ou de ne copier que les données nécessaires. Pour récupérer ces données, la séquence A, C, G et T représentée dans la molécule d’ADN est à nouveau décodée sous la forme de la séquence originale de bits 1 et 0.
Selon un article publié par le site Web de Georgia Tech Research Institute (GTRI), le programme MIST (Molecular Information Storage) de l'IARPA a attribué un contrat en plusieurs phases d'une valeur maximale de 25 millions de dollars pour développer des techniques de stockage moléculaire évolutives basées sur l'ADN. Le projet dirigé par le GTRI vise à utiliser l'ADN biopolymère pour stocker des exabytes (un million de téraoctets) de données et au-delà avec une empreinte physique, des besoins en énergie et des coûts réduits par rapport aux technologies de stockage conventionnelles.
Avec l’essor de l’internet des objets, des réseaux sociaux, des véhicules autonomes ou encore du e-commerce, le volume de données générées par l’humanité est en pleine explosion. Face à cette augmentation massive, il est urgent et nécessaire de trouver de nouvelles solutions pour le stockage de ces données. Les Data Centers qui sont actuellement utilisés pour le stockage de données via le Cloud consomme énormément d’énergie et ont une empreinte carbone massive. Il est donc plus que temps de trouver une alternative, et plusieurs chercheurs et organisations misent sur le stockage de données à base d’ADN.
Selon GTRI, la technologie existe déjà pour le stockage et la lecture d'informations dans l'ADN, mais des avancées significatives seront nécessaires pour la rendre commercialement pratique et compétitive en termes de coûts par rapport aux bandes magnétiques et aux mémoires à disque optique existantes. L’ADN a également l’avantage de pouvoir stocker les informations pendant des centaines d'années et de réduire la taille du support de stockage. Alexa Harter, directrice du laboratoire de recherche sur la cybersécurité, la protection de l'information et l'évaluation du matériel (CIPHER) du GTRI, a déclaré :
« L'objectif est de réduire considérablement la taille, le poids et la puissance nécessaires au stockage des données d'archives ». « Ce qui prendrait des hectares dans une ferme de données aujourd'hui pourrait être conservé dans un dispositif de la taille d'une table. Nous voulons améliorer de manière significative toutes sortes de mesures pour le stockage de données à long terme ».
Le projet SMASH (Scalable Molecular Archival Software and Hardware) du programme MIST est né d'une proposition préparée par le GTRI, Twist Bioscience basé à San Francisco, Roswell Biotechnologies basé à San Diego, et l'Université de Washington en collaboration avec Microsoft. La contribution de Georgia Tech dans le projet impliquera des installations de fabrication à l'Institut d'électronique et de nanotechnologie et des chercheurs dans des spécialités telles que la chimie et la théorie de l'information, qui s'appuieront également sur quatre des huit laboratoires du GTRI.
« La raison pour laquelle les gens s'intéressent à l'ADN pour le stockage est qu'il a évolué au fil des ans comme un moyen très compact et fiable de stockage de l'information », a déclaré Nicholas Guise, un chercheur principal du GTRI. « Il est si compact qu'une archive d'ADN pratique pourrait stocker un exabyte de données - l'équivalent d'un million de téraoctets de disque dur - dans un volume de la taille d'un morceau de sucre. Les scientifiques ont été capables de lire l'ADN d'animaux morts il y a des siècles, de sorte que les données durent essentiellement pour toujours dans les bonnes conditions », a ajouté le scientifique.
Les défis à relever dans la mise au point de la technique de stockage ADN commerciale
Selon le GTRI, une partie du défi technique consiste à interfacer l'ADN avec les technologies électroniques CMOS standard. Les chercheurs prévoient de construire des puces hybrides dans lesquelles l'ADN se développe au-dessus des couches contenant l'électronique. L'ensemble du projet permettra de tirer parti de l'efficacité des technologies actuelles des semi-conducteurs, a déclaré Brooke Beckert, ingénieur de recherche du GTRI.
« Nous travaillerons avec des fonderies commerciales, de sorte que lorsque le traitement sera correct, il devrait être beaucoup plus facile de leur transférer la technologie », a déclaré Beckert. « La connexion à l'infrastructure technologique existante est une partie essentielle de ce projet, mais nous devrons fabriquer sur mesure la plupart des composants dans un premier temps ».
Un autre des défis à relever sera de gérer les compromis entre vitesse et erreur, a déclaré Guise. « La question est de savoir jusqu'où nous pouvons réduire sans introduire trop d'erreurs », a-t-il déclaré. « La synthèse de base est prouvée à une échelle de centaines de microns. Nous voulons la réduire d'un facteur de 100, ce qui nous amène à nous préoccuper de questions telles que la diaphonie entre différents brins d'ADN à des emplacements adjacents sur les puces ».
Afin de réaliser les progrès majeurs requis en matière de coût et de vitesse de lecture, le programme s'appuiera sur les puces électroniques moléculaires de lecture de l'ADN en cours de développement à Roswell, d’après GTRI. En effet, les données seront lues à partir de brins d'ADN à l'aide d'une puce électronique moléculaire à réseau de capteurs, sur laquelle les molécules individuelles seront attirées par des courantomètres à l'échelle nanométrique qui mesurent les signatures électriques de chaque lettre de la séquence.
Selon GTRI, les chercheurs sont conscients des défis à relever pour amener les dispositifs de stockage ADN à l'échelle commerciale. Adam Meier, chercheur principal du GTRI, a déclaré : « Nous ne voyons pas de concurrents à l'horizon pour cette technologie ». « Il y a beaucoup de technologies émergentes et leur commercialisation nécessitera des améliorations de plusieurs ordres de grandeur. La bande magnétique pour le stockage d'archives s'améliore constamment depuis 60 ans, et cet investissement de l'IARPA permettra de réaliser les progrès nécessaires pour rendre le stockage à base d'ADN compétitif ».
Le stockage des données ADN ne remplacera pas, dans un premier temps, les fermes de serveurs pour le stockage des informations qui doivent être accessibles rapidement et souvent. D’après GTRI, en raison du temps nécessaire à la lecture et au décodage, la technique ADN serait utile pour les informations qui doivent être conservées indéfiniment, mais auxquelles on accède peu fréquemment.
En cas de succès, le programme MIST débouchera sur de nouveaux appareils capables à la fois d'écrire des données sur des supports d'ADN synthétique et de lire des données à l'échelle. Cela pourrait constituer un bon en avant pour les grands acteurs du secteur des données au sein du gouvernement et de l'industrie. Après, il faudra résoudre le problème de la vitesse de lecture et d’écriture.
Source : Georgia Tech Research Institute
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