淺談分子存儲技術的未來

詹雨安
詹雨安
Jun 11 · 15 min read

昨天晚上看到了一篇在講寡肽分子存儲技術的文章,並和一位工程師朋友稍微討論了一下這項技術的前景。我這位朋友對這項技術抱持著較為悲觀的態度,以下是他所提出的一些質疑:

  1. 寡肽分子存儲的平均寫入速度為每秒 8bits,讀取速度為每秒 20 bits。相比之下,目前主流儲存裝置固態硬碟(NAND Flash),在 SATA 介面下讀寫速度約為每秒 4Gbits。
  2. 寡肽分子存儲「可望僅花 1 美分就可記錄 1 億 bit 的資料」,換算後會發現 1TB 的存儲空間要價約 24000 台幣,還是太貴。
  3. 文中提到「駭客無法像攻破雲儲存那樣竊取分子儲存的內容,分子儲存只能通過人工訪問。即使被發現藏匿的數據,小偷也需要擁有足夠的化學知識才能檢索代碼」,如果使用這麼困難,它就無法進入廣大的消費市場,只能用在特定應用(如軍事資料儲存),這樣根本不可能成為革命性的產品。

之前有一些人問我:「從多個不同的維度去認識世界」、「打造一個有機的綜合能力系統」、「給每個領域分配一個合適且可調整的權重,將這些知識逐步地連結起來」聽起來很厲害,但有沒有什麼具體的例子能顯示出它發揮成效的方式呢?

我認為這是個挺好的機會。

如果在兩年前,我分析和質疑寡肽分子存儲技術的方式可能會跟這位工程師朋友相仿。但自從接觸了一些其他領域的知識以後,我現在看待這些技術的方式已跟過去截然不同。

由於高品質資源計畫的東西快整理不完了,我只能排出一個下午的時間來寫這篇文章,所以這篇文章的目的並不是做出非常嚴謹的考證,而是希望能透過一些不同的切入視角,展現一下如果能多涉獵並整合一些本科以外的知識,理解世界的方式會產生什麼樣的改變。

範式轉移

在看到有關寡肽分子存儲技術的消息時,我腦中第一個浮現出來的想法是 Google 工程總監兼未來學家 Ray Kurzweil 在《奇點鄰近》(The Singularity is Near)一書中提出的科技範式轉移和指數增長理論。

範式轉移(paradigm shift)這個概念源自於科學哲學家孔恩(Thomas Kuhn),意指人類完成某項任務的方法或是對某項事物的認知在根本上發生了重大改變。

舉例來說,人類從沒有語言到有語言是一種溝通上的範式轉移,從相信地心說到相信日心說是一種世界觀上的範式轉移,從使用算盤到發明計算機則是一種計算工具上的範式轉移。

Kurzweil 認為,對於現代科技來說,每個範式的發展大都可分成緩慢增長、快速增長、趨於平緩等三個階段。以時間為橫軸、增長量為縱軸,範式的三個階段合起來會構成一個 S 形曲線。

每一個範式都會有結束的一天,並迎來新的範式,此時就會發生範式轉移,特徵是舊範式的 S 形曲線進入趨於平緩階段、新範式的 S 形曲線則開始緩慢增長。幾乎所有人類世界的方法論和認知,都會無法避免地隨時間經歷一次又一次的範式轉移。

Kurzweil 採用了一些不同產業和領域的關鍵指標分析了這些產業的時間數據,發現不分產業、不分領域,如果從比較大的時間尺度去完整看待範式轉移的過程,後繼的 S 形曲線增長速度幾乎都會比前一個 S 形曲線更快更陡。

而在將這些 S 形曲線相接起來並平滑化以後,Kurzweil 發現一個更驚人的現象:大多數科技的發展速度曲線都可以被近似成一條指數增長(exponential growth)曲線,而非我們直覺上的線性增長(linear growth)。這意味著科技其實是在以一個遠超過我們直覺想像的速度在加速增長著,很多我們直覺認為要一千年後才會出現的科技,其實一百年內就會出現。這個發現最終成為了 Kurzweil 提出奇點(singularity)理論的重要基礎。

不過奇點理論並非這篇文章的重點。我這邊想要探討的是:範式轉移的想法能如何幫助我們理解寡肽分子存儲技術的潛力呢?

在談寡肽分子存儲技術之前,我們先來看一個與它極為相關的產業:計算產業。

現代的電腦、智慧型手機、微晶片所使用的技術幾乎都是積體電路(integrated circuits)。而在積體電路發明之前,計算產業一共經歷了四個不同的範式,分別是機電(electromechanical)、繼電器(relays)、真空管(vacuum tubes)和離散晶體管(discrete transistors)。積體電路的發明是第五範式,著名的摩爾定律體現的正是積體電路範式的快速增長期。

然而摩爾定律終有一天會失效,第五範式的 S 形曲線也將進入趨於平緩階段。為了維持住計算性價比的增長,人類將會需要研發出新的技術作為第六範式來接替積體電路,這也是現在很多前端研究所著重的方向。

正如同現在已經幾乎沒有人在使用真空管了一樣,當範式轉移後,積體電路沒落也是遲早的事。屆時誰能發展出夠格成為第六範式、支撐下一代計算的技術,誰就能主宰下一代的全球科技發展。

針對這個問題,早在 2004 年時,Kurzweil 就已經解析了許多有機會取代積體電路、成為計算領域第六範式的技術,並詳細地說明了它們的運作原理、發展近況及成長潛力。這些技術包含奈米管(Nanotubes)、分子計算(Computing with Molecules)、自組裝(Self-Assembly)、仿真生物(Emulating Biology)、DNA 計算(Computing with DNA)、自旋計算(Computing with Spin)、光學計算(Computing with Light)、量子計算(Quantum Computing)等等。

相信你已經在上面看到「分子計算」這四個字了。

沒錯,如果發展速度夠快,分子計算將有機會引發下一代計算科技的重大變革。

科學家是如何發展分子計算的呢?首先,計算的前提是要有資料能給你算,因此在試圖針對任何材料發展計算技術之前,必須先發展出相應的資料存儲技術。

所以當我們看到逐漸成熟的「寡肽分子存儲技術」時,這可能意味著什麼相信我也不用多說了吧?

暸解了寡肽分子存儲技術的潛力時,我們可以試著去問下一個問題:現在的分子存儲技術還很粗糙,性能也遠低於已經成熟且普及的積體電路。在競爭如此激烈的商業環境下,範式轉移怎麼可能發生呢?

哈佛商學院的 Clayton Christensen 教授在《創新的兩難》(Innovator’s Dilemma)一書中所提出的破壞式創新(disruptive innovation)理論也許有辦法幫助我們回答這個問題。

接下來我會先舉兩個《創新的兩難》書中的例子,用它們來介紹破壞式創新的概念。最後再回過頭來看,為什麼破壞式創新很可能有助於推動範式轉移?

在下面這兩個例子中,一項新技術的「既有企業」指的是在這項新技術來臨前就已經存在的企業,「新進企業」指的則是在這項技術來臨時崛起的新興企業。一家企業可能相對於某項技術會被定義成新進企業,相對於另一項更新的技術則被定義成既有企業。

硬碟產業

硬碟產業的技術發展有兩種主要的方向:

第一種方向是延續式創新(sustaining innovation),主要是由既有企業中的領導者不斷「提升現有產品的性能」(例:提高單位體積可儲存的容量),這個方向的技術發展依照困難度可再細分為漸進式和激進式。

第二種方向是破壞式創新(disruptive innovation),主要是由新進企業「重新定義產品的性能」,造成產業中既有企業的領導者失勢。

硬碟產業中絕大多數的科技變革都屬於延續式創新。舉例來說,1965 年硬碟的主流技術採用的是氧化物讀寫頭和磁片,既有企業們的主要任務是做漸進式改良,逐年提升讀寫頭的精密度以及磁片單位體積可儲存的容量。

當氧化物技術的改良快要走到極限時, 既有企業中的領導者便開始投入大量資源做激進式改良,發展出薄膜技術來取代氧化物技術。同樣地,當薄膜技術的改良走到極限時,領導者們又發展出更先進的磁阻式技術來取代薄膜技術。

在延續式創新的方向上,既有企業是創新的開路先鋒,因為它們在開發風險高、複雜度高、元件昂貴的科技上,具有強大的資源優勢。同一時期的新進企業相較之下嚴重缺乏競爭力,只能等既有企業發展的新技術足夠成熟後才逐漸跟進。

在硬碟產業的發展中曾出現過幾次破壞式創新,其中最重要的破壞式創新是硬碟尺寸的架構創新,也就是生產性能差、成本高,但是多了「體積小」這個產品特性的硬碟。

在 1974 年,硬碟產業的主要客戶是大型主機,配備的是容量 130 MB 的 14 吋硬碟。1978 年起,許多新進企業推出了容量介於 10~40 MB 的 8 吋硬碟,但這種 8 吋硬碟單位容量的成本比 14 吋硬碟高太多,因此它並沒有被主流的大型主機市場的既有企業重視。

為了讓 8 吋硬碟有用武之地,新進企業決定將這些 8 吋硬碟投入到「當時新興崛起的迷你電腦市場」。因為即便單位容量的成本較高,生產迷你電腦的客戶仍願意為了「體積小」的產品特性多支付這筆溢價。

隨著迷你電腦市場愈來愈大、逐漸成熟,新進企業們一直積極地對 8 吋硬碟進行延續式創新,以每年 40% 的速度提升 8 吋硬碟的容量。

在 1980 年代中期,8 吋硬碟單位容量的成本已大幅下降到能滿足大型主機的需求,而它在其他方面的優勢也開始浮現(例:讀寫精確度比較不會受機械式震動影響),最終回到主流的大型主機市場中取代了 14 吋硬碟,導致主打 14 吋硬碟的既有企業遭到淘汰。

1980 年,Seagate 等新進企業推出容量介於 5~10 MB 的 5.25 吋硬碟,但是它單位容量所需要的成本比 8 吋硬碟高很多,所以沒有受到當時生產 8 吋硬碟的既有企業重視,無法打入迷你電腦市場。

同樣的事情再度發生了:這些生產 5.25 吋硬碟的新進企業決定將這項技術投入到「當時新興崛起的桌上型個人電腦市場」,因為這個市場同樣願意為了小體積而犧牲容量上的性能和成本。

隨著桌上型個人電腦市場逐漸成熟,5.25 吋硬碟的容量在新進企業的延續式創新下以每年 50% 的速度提升,最終再次回頭取代了既有企業在迷你電腦市場和大型電腦市場中所使用的 8 吋硬碟。

1984 年,Rodime 研發出 3.5 吋硬碟,主打 5.25 吋硬碟的 Seagate 工程部門希望也研發這項新技術,但是行銷部門與主管不贊同這項計畫,因為當時 5.25 吋硬碟的市場大得多,單位容量的成本也更低(5.25 吋硬碟可以存 40~60 MB,3.5 吋硬碟只能存 20 MB) 。

生產 3.5 吋硬碟的新進企業於是將這項技術投入到「當時新興崛起的手提式電腦市場」,最終又再一次在延續式創新下,取代了 Seagate 等既有企業在桌上型個人電腦市場、迷你電腦市場和大型電腦市場中所使用的 5.25 吋硬碟。

從硬碟發展的歷史中可以觀察到,破壞式創新的技術一開始在性能上通常遠低於主流既有市場客戶的需求,但是它完全不同的產品特性能吸引到遠離主流市場的新興市場客戶,幫助這些客戶做到原本無法做到的事情。

挖土機產業

破壞式創新的模式不只出現在硬碟產業,也出現在很多其他產業中。以挖土機產業為例,它在二十世紀中期的營收主要由以下三大客戶給支配:

  1. 都市計畫工程和地下室建設的承包商,鏟斗每勺需要的乘載量為 2.5 立方碼。
  2. 下水道與地下管線埋設的承包商,鏟斗每勺需要的乘載量為 1 立方碼。
  3. 挖掘礦坑和露天採礦的承包商,鏟斗每勺需要的乘載量為 5 立方碼。

在液壓技術出現之前,挖土機產業使用的引擎以電纜引擎為大宗。然而隨著液壓技術的出現,開始有新進企業打造出使用液壓引擎的「液壓挖土機」。這種新式挖土機每勺的乘載量只有 0.25 立方碼,對於當時挖土機產業的主流客戶一點用處也沒有,因此不被既有企業重視。

為了為液壓挖土機開發新的市場,新進企業找上了「有挖掘排水溝、建造房屋地基需求的小型住宅承包商」。這些小工程不適合使用大型但精準度較低的電纜挖土機,因此過去都是採用人工挖掘,而液壓挖土機窄而淺的鏟斗寬度和挖土機移動的機動性剛好能滿足這些承包商的需求。

新進企業在這個新市場中不斷地改良液壓挖土機的技術,達到了每勺 10 立方碼的乘載量。在 1966 年,液壓挖土機的技術已經進步到可滿足「下水道與地下管線埋設的承包商」這個主流客戶的需求了,於是開始入侵電纜挖土機的主流市場。

當液壓挖土機和電纜挖土機同時滿足主流客戶的需求時,主流客戶的購買條件也有了轉變,不再執著於鏟斗乘載量的高低,而是大批採用故障率較低的液壓挖土機。液壓挖土機最終把主流市場全數佔領,只有四家生產電纜挖土機的既有企業成功轉型、推出液壓挖土機。

破壞式創新與 S 形曲線

從硬碟產業和挖土機產業的例子中我們可以看到,破壞式創新科技所具備的特性是:一開始在各方面的性能與成本都遠比舊技術差,但是有著一些舊技術不具備,卻對某些新興市場極為重要的產品特性。

於是新進企業們的策略是:將這些破壞式創新科技投入到那些既有企業看不上眼的新興市場,在上面做延續式創新,直到性能提高到一定程度後再回去顛覆既有市場。

在這裏,我們可以再度引入 S 形曲線的概念。我們可以將每個技術的發展都畫成 S 形曲線,而一個產業的主流技術隨時間更替的過程,就可以表述成「新技術的 S 形曲線取代舊技術的 S 曲線,成為該產業主流技術」。

一樣使用硬碟產業的例子,當 14 吋硬碟正在快速發展時,性能仍在緩慢起步的 8 吋硬碟顯然無法打入 14 吋硬碟所佔據的主流市場。但此時 8 吋硬碟選擇進到新興市場,待自己進入快速增長期之後,再回到主流市場顛覆 14 吋硬碟。

這個現象顯示,兩個 S 形曲線在交接之前會存在一個並存期,破壞式創新科技(8 吋硬碟)的 S 形曲線得先在新興市場熬過這段時間,此時舊科技(14 吋硬碟)的 S 形曲線仍在發展。等到兩個 S 形曲線的性能水平開始產生交集時,新的 S 形曲線才會開始取代舊的 S 形曲線,這正是破壞式創新科技回到主流市場顛覆舊科技的絕佳時刻。

講到這裡你可能會有些疑惑:S 形曲線、範式轉移、破壞式創新三者究竟有什麼關係呢?

我認為這裡要搞清楚的一點是,這三個概念在描述的是三個不同維度的事情。S 形曲線是一種「表達技術成長軌跡的工具」,範式轉移是一種「形容認知與方法論產生重大變革的詞彙」,破壞式創新則是一種「創新科技使用新的產品特性顛覆舊科技的過程」。

S 形曲線既能用來表達範式轉移的過程,也能用來表達破壞式創新科技顛覆既有科技的過程,但這不意味著範式轉移一定跟破壞式創新有關,反之亦然。

值得一提的是,雖然我們前面提到「將每個範式的緩慢增長、快速增長、趨於平緩等三個階段合起來會構成一個 S 形曲線」,但這其實只是在很大的時間尺度下觀察到的結論。

如果將時間尺度拉近去看,我們會發現一個範式的 S 形曲線其實是由許多更小的 S 形曲線所組成的,這意味著一個範式的成長本身其實是由許多次的破壞式創新和延續式創新一同構成的。

分子存儲技術的前景

討論完範式遷移和破壞式創新後,讓我們再回頭來看我那位工程師朋友所提出的質疑:

  1. 寡肽分子存儲的平均寫入速度為每秒 8bits,讀取速度為每秒 20 bits。相比之下,目前主流儲存裝置固態硬碟(NAND Flash),在 SATA 介面下讀寫速度約為每秒 4Gbits。
  2. 寡肽分子存儲「可望僅花 1 美分就可記錄 1 億 bit 的資料」,換算後會發現 1TB 的存儲空間要價約 24000 台幣,還是太貴。
  3. 文中提到「駭客無法像攻破雲儲存那樣竊取分子儲存的內容,分子儲存只能通過人工訪問。即使被發現藏匿的數據,小偷也需要擁有足夠的化學知識才能檢索代碼」,如果使用這麼困難,它就無法進入廣大的消費市場,只能用在特定應用(如軍事資料儲存),這樣根本不可能成為革命性的產品。

很顯然的,在我眼中這些質疑不但不是寡肽分子存儲技術會走向失敗的元素,它們反而揭示了它成功的潛力,因為它完全符合破壞式創新的條件:在各方面的性能與成本都遠比舊技術差,但是有著一些舊技術不具備,卻對某些新興市場極為重要的產品特性。

從破壞式創新的脈絡去分析的話,我認為更關鍵的問題是:寡肽分子存儲技術具備哪些我們現有技術並不存在的特性呢?又有哪些市場願意為了獲得這些特性而暫時犧牲現有技術的其他優勢呢?

如果能為寡肽分子存儲技術找到一個目前我們還沒有意識到的新興市場、在上面發展成熟,並跟著這個市場一起成長,它未來就很可能有辦法回頭吞併現在的市場,甚至發展出相應的計算技術,取代積體電路成為第六範式。

也許你會說,你不想使用一台用蛋白質做成的手機。但讓我反問一句:你覺得在二十年後,手機這個東西還會存在嗎?

很明顯的,蛋白質是個比矽晶圓更接近人類身體構成的有機材料。隨著腦機介面科技逐漸發展成熟,要是我們能透過無創手術將分子計算介面與大腦皮質整合,用心電感應來通訊,你真的覺得手機這東西還會繼續存在嗎?

我們再繼續想一個問題:人們對腦機介面最擔憂的事情是什麼?

記憶被駭、想法被偷窺。

有什麼技術安全性極高,只能人工訪問,無法被駭客攻破呢?

對於你的記憶,你更在乎隱私安全性,還是更在乎傳輸效率呢?

相信你應該知道我想說什麼了。

當然,以上這些在現階段都只是想像而已。但是請記得,馬車時代的人無法想像汽車,飛鴿傳書時代的人也無法想像智慧型手機。

未來會發生什麼,我們永遠不能確定。唯一能做的,就是不要限制自己的想像力,因為在這科技加速的時代中,任何事情都可能會在我們有生之年發生。

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