速度提升3200倍，準(zhǔn)確率提高40%！深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+糾錯(cuò)碼革新DNA存儲(chǔ)技術(shù)

原標(biāo)題：速度提升3200倍，準(zhǔn)確率提高40%！深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+糾錯(cuò)碼革新DNA存儲(chǔ)技術(shù)
文章來(lái)源：人工智能學(xué)家
內(nèi)容字?jǐn)?shù)：10899字

DNA 存儲(chǔ)技術(shù)突破：DNAformer 顯著提升存儲(chǔ)效率與可靠性

在全球數(shù)據(jù)式增長(zhǎng)的背景下，DNA 存儲(chǔ)技術(shù)因其高密度、持久性和低能耗等優(yōu)勢(shì)，成為解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)危機(jī)的潛在方案。然而，DNA 合成和測(cè)序過(guò)程中的錯(cuò)誤率一直是阻礙其商業(yè)化落地的關(guān)鍵瓶頸。理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為 DNAformer 的端到端信息檢索解決方案，顯著提升了 DNA 存儲(chǔ)系統(tǒng)的效率和可靠性，相關(guān)研究成果發(fā)表于《Nature Machine Intelligence》。

1. DNA 存儲(chǔ)技術(shù)的挑戰(zhàn)與現(xiàn)有方案的不足

傳統(tǒng) DNA 信息檢索流程包含聚類(lèi)、重建和解碼三個(gè)步驟，每個(gè)步驟都面臨著算法復(fù)雜度和準(zhǔn)確性之間的權(quán)衡。以往的解決方案通常采用冗余編碼技術(shù)來(lái)糾錯(cuò)，但這種方法冗余度高，效率低。

2. DNAformer 的創(chuàng)新之處

DNAformer 采用了一種模塊化編碼方案，將糾錯(cuò)碼和約束碼結(jié)合在 DNA 合成和存儲(chǔ)之前，允許將大型數(shù)據(jù)集劃分為更小的塊，實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。其核心創(chuàng)新在于信息檢索流程：首先，采用基于索引的簡(jiǎn)單分箱算法進(jìn)行聚類(lèi)，提高處理速度；其次，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (DNN) 從讀取序列重建原始編碼序列，并結(jié)合置信度過(guò)濾器和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性；最后，通過(guò) SOLQC 工具模型生成大量模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)，降低了 DNN 訓(xùn)練成本。

3. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能提升

研究團(tuán)隊(duì)使用 Illumina miSeq 和 Oxford Nanopore MinION 兩種測(cè)序技術(shù)，對(duì) 3.1 MB 的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，DNAformer 的速度提升了 3200 倍，準(zhǔn)確率提高了 40%，在高噪聲環(huán)境下仍能保持每堿基 1.6 比特的編碼率。其失敗率遠(yuǎn)低于現(xiàn)有方案，在 Illumina 數(shù)據(jù)集上僅為 0.0055%，在 Nanopore 數(shù)據(jù)集上為 1.65%。DNAformer 還能夠高效處理結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

4. 未來(lái)展望

DNAformer 成功克服了 DNA 存儲(chǔ)系統(tǒng)中失敗率和運(yùn)行時(shí)間的主要瓶頸，為其商業(yè)化應(yīng)用掃清了重要的技術(shù)障礙。未來(lái)研究可以進(jìn)一步優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、探索更高效的編碼方案和更智能的聚類(lèi)算法，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性和經(jīng)濟(jì)可行性。盡管 DNA 合成與測(cè)序成本、長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及法律和標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題仍需解決，但 DNAformer 這類(lèi)端到端解決方案將在未來(lái)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

聯(lián)系作者

文章來(lái)源：人工智能學(xué)家
作者微信：
作者簡(jiǎn)介：致力成為權(quán)威的人工智能科技媒體和前沿科技研究機(jī)構(gòu)