「DNA×半导体」でAI的耗电量大幅减少？ 生物体与电子融合的新型存储器

随着生成AI的迅速普及，背后也出现了一些日益严重的问题。

电力问题。

AI并不仅仅依靠模型本身的性能来运作。它需要从内存中读取大量数据，传送到计算装置，计算后再写回结果。这一过程需要重复大量次。

因此，在下一代计算机中，“如何加速计算”和“如何以更少的电力存储和移动数据”同样重要。

在这种背景下，可能彻底改变计算机内存的研究出现了。

所使用的材料竟然是DNA。

由美国宾夕法尼亚州立大学等研究团队开发了一种结合合成DNA和被称为“钙钛矿”的半导体材料的新型内存设备，该设备在极低电压下运行。

这一研究于2026年发表在《Advanced Functional Materials》上，利用DNA不仅仅作为“记录生命信息的分子”，而是作为构建电子电路的“功能性材料”。

生物学与半导体工程。

这两个领域过去几乎是独立发展的，现在开始真正交汇。

DNA被称为“终极记录媒介”

提到DNA，许多人会联想到遗传信息。

它是通过A、T、G、C四种碱基的排列来保存生物信息的分子。

DNA还有另一个令人惊讶的特性。

信息密度极高。

根据宾夕法尼亚州立大学的声明，理论上1克DNA可以存储约2.15亿GB的数据。

这与当前使用的SSD或HDD等设备的信息密度完全不同。

因此，世界各地一直在研究将数字数据转换为DNA碱基序列进行长期保存的“DNA存储”。

然而，要理解这项研究，有一点很重要。

此次开发的设备与一般将照片或视频作为A、T、G、C序列存储在DNA内部的“DNA存储”略有不同。

它是将DNA本身用作电子设备的材料。

研究团队关注的是DNA可以人工设计这一特性。

“非天然DNA”，为电子电路设计的DNA

从生物体中提取的天然DNA非常长。

借用研究者的说法，处理时容易像“湿意大利面”一样缠绕。

如果要作为电子元件在纳米级精确放置，这一特性很难处理。

因此，研究团队使用了短合成DNA。

论文中使用了包含银纳米粒子的22碱基长的合成DNA。

短DNA更容易根据目的设计长度、碱基序列和分子结构。

也就是说，将DNA视为，

“从生物中提取使用的东西”

而是，

“在计算机上设计并制造出具有所需特性的纳米材料”

来处理。

此外，研究团队还向这种DNA中添加了银纳米粒子。

这是一种称为掺杂的处理。

通过这种方式调整DNA层的电学性质，使其可以用作电子流动的路径。

与这种含银纳米粒子的合成DNA结合的是具有准二维结构的卤化钙钛矿。

钙钛矿因其可控的电学性质而被研究为下一代存储材料，同时也在太阳能电池中受到关注。

有趣的是，仅使用DNA或钙钛矿都无法达到相同的性能。

通过结合这两种不同的材料，产生了稳定的电流路径和存储特性。

这正是“生物混合”电子设备。

开发的是“忆阻器”

此次研究的设备被称为“忆阻器”。

这是Memory和Resistor的结合名称，日语中译为“记忆电阻器”等。

普通电阻器是决定电流流动程度的电子元件。

而忆阻器则根据过去流过的电流改变其电阻状态，并能保持这一状态。

也就是说，电子元件本身可以记住“以前接收到的电信号”。

这是AI研究者关注的一个重要原因。

在当前的计算机中，负责运算的处理器和存储数据的内存是分开的。

当CPU或GPU进行计算时，

从内存中读取数据
↓
发送到处理器
↓
进行运算
↓
将结果再次返回内存

这一过程会反复发生。

在大量AI计算中，这种“数据传输工作”本身就消耗时间和电力。

忆阻器可以在靠近或同一元件上进行存储和运算。

这与“内存计算”或“神经形态计算”这样的下一代计算机技术相连。

低于0.1伏特的低电压

此次研究中特别引人注目的数字是“低于0.1V”。

根据论文，开发的忆阻器可以在低于0.1V的极低电压下切换电阻状态。

研究团队还报告了0.01W/cm²的低电力密度。

耐久性测试显示约1000次操作循环，ON状态和OFF状态的电气差异超过10万倍。

即使在室温和大气环境下，也能维持超过6周的高ON/OFF比。

由于在钙钛矿设备中稳定性是一个重大挑战，因此“通过添加DNA不仅改善了性能，还改善了稳定性”是这项研究的重要部分。

大学方面的声明中还提到，与传统技术相比，“消耗的电力减少了100倍”，这一数字通过ScienceDaily等被广泛报道。

然而，这需要谨慎解读。

同一大学的声明中也存在“可以以十分之一的电力实现同等的存储功能”的描述。

而在同行评审论文的摘要中，主要展示的是低于0.1V的工作电压、0.01W/cm²的电力密度、耐久性和保持特性等设备的测量结果。

因此，认为“可以将当前的SSD或DRAM直接减少到百分之一的电力”还为时过早。

“100倍”这一数字应被视为研究成果影响力的一个比较值，需要查看具体与哪些现有技术、在何种条件下进行了比较。

为何与AI契合

这项研究不仅仅是新型存储器的故事，还因为它与AI的契合性。

当前的AI广泛使用神经网络。

人工神经网络受到大脑神经回路的启发，但当前主流的AI芯片并不是以与人脑相同的方式进行计算。

在大脑中，神经元之间的连接部分即突触本身与信息处理和记忆有关。

而在一般计算机中，存储装置和运算装置是分离的。

因此，神经形态计算正在被研究。

如果将忆阻器的电阻值视为人工突触的“连接强度”，则可以在存储器中直接执行大型矩阵计算的一部分。

在这里，功耗变得重要。

即使将人工突触增加到数百万、数亿甚至更多，如果每一个都需要大量电力，则不具实用性。

此次的DNA-钙钛矿型忆阻器因其能够在极低电压下改变状态而受到关注。

未来，

AI加速器
边缘AI
自主传感器
机器人
可穿戴设备
神经形态处理器

等设备在有限电力下处理大量信息的应用是可以预见的。

“因为是DNA所以能存储大量数据”不完全正确

此次新闻中特别容易误解的部分也需要提及。

“DNA可以在1克中存储2.15亿GB”

这一说法与

“此次制造的DNA忆阻器”

直接联系起来，

认为“完成了可以在1克中存储2.15亿GB的半导体”

是不准确的。

在DNA存储中，数字信息被写入A、T、G、C的碱基排列中。

而在此次设备中，合成DNA与银纳米粒子结合，被用作控制电荷传输和电阻切换的材料。

也就是说，研究的本质在于，

“在DNA中保存文件”

而是，

“将DNA作为可编程的电子材料集成到半导体中”

这可能在长远来看具有更大的意义。

传统上，半导体材料主要是硅、氧化物、金属和各种化合物。

如果像DNA这样的生物分子正式加入其中，将开启一个可以在分子层面设计的新电子材料世界。

在SNS上被视为“科幻成为现实”

这项研究在SNS上也以“生物学与电子学的融合”这一语境被介绍。

在X平台上，可以看到强调“用合成DNA和半导体制造超低功耗存储器”的帖子。

在LinkedIn上，宾夕法尼亚州立大学研究成果被介绍为“下一代低能耗、大容量数据存储技术”。

其他科技类账户也以未来导向的表达介绍，

“自然已经保存信息在DNA中数十亿年”

“终于有研究将DNA连接到电子电路”

“可能改变AI硬件的电力效率”

特别是在SNS上，“DNA”“100倍省电”“AI”这三个关键词容易引发反响。

生命科学与计算机这两个看似遥远的领域的融合，被视为让人联想到科幻未来的新闻。

另一方面，“明天PC中不会有DNA”

然而，仔细查看SNS上的介绍，并非全是期待。

在LinkedIn等技术类帖子中，介绍这项研究时也有明确指出“仍处于概念验证阶段”“尚未成为商用产品”的内容。

这是一个重要的视角。

论文中报告的约1000次耐久循环对于确认研究用设备的性能有意义，但与实际计算机用存储器的要求条件不能简单比较。

超过6周的稳定性也是如此。

研究成果“比以前更稳定”与“可以作为商用半导体使用多年”之间有很大距离。

如果考虑量产，

是否能均匀形成DNA材料

是否能控制银纳米粒子的分布

是否能在大量存储单元中实现相同性能

是否能确保制造过程的良品率

是否能与现有半导体制造工艺整合
是否能长期保持性能

这些问题需要解决。

在SNS上被视为“未来计算机”的同时，研究者和技术人员真正关注的是，今后能在