Mängden data som transporteras via fiberoptiska kablar ökar explosionsartat. Det gör även datatrafikens energiförbrukning. Forskare på Chalmers försöker nu designa och bygga en modell för hur framtidens fiberoptiska system kan bli mer energieffektiva. Målsättningen är att minska energiförbrukningen till en tiondel jämfört med idag.
Projektanslag 2013
Energieffektiv optisk fiberkommunikation
Huvudsökande:
Peter Andrekson, professor i fotonik
Medsökande:
Magnus Karlsson
Anders Larsson
Per Larsson-Edefors
Erik Agrell
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
33,9 miljoner kronor under fem år
– Hittills har utvecklingen av datatrafik handlat om en avvägning mellan prestanda och kostnad. Vi vill lägga till energiförbrukning. Det blir ett helt annat sätt att tänka och ett helt nytt sätt att optimera systemen. Det är inte så lätt, för de flesta forskare tänker på bättre prestanda, fler digitala ettor och nollor per sekund och större bandbredder, förklarar professor Peter Andrekson.
En stor del av världens datatrafik leds genom så kallade fiberoptiska kablar som finns inbyggda i våra hus, nedgrävda i marken och nedlagda på havens bottnar. I dessa kablar leds ljus genom optiska fibrer med kärnor av mycket rent glas eller plast. En sändare skickar iväg kodade ljussignaler genom de optiska fibrerna med hjälp av laser eller lysdioder, och en mottagare tar emot ljussignalerna och översätter dem till elektriska impulser som sedan vidareförmedlas till datorer, TV-apparater eller telefoner. Om fibersystemet sträcker sig över långa avstånd behövs också signalförstärkare mellan sändaren och mottagaren.
Alla vet att telefoner och datorer kräver energi, men för att de ska kunna kommunicera med varandra krävs också energi för transport av data, och den andelen av den totala energiförbrukningen ökar väldigt kraftigt.
– Man brukar prata om en utgift för att installera ett system och en utgift för att underhålla ett system. Utgiften för att underhålla systemen kommer att öka, bland annat på grund av energiförbrukningen.
Samarbete mellan tre institutioner
Projektet bygger på en tioårig framgångsrik samverkan mellan institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, MC2, och institutionen för signaler och system, S2, på Chalmers. Medan forskarna på MC2 är experimentella och jobbar med hårdvara så har forskarna på S2 en god förståelse för informationsteori. På så sätt har de kunnat kombinera sina kunskaper om algoritmer och hårdvara för optiska kommunikationssystem.
– I dagens moderna optiska kommunikationssystem så spelar elektroniken en allt större och viktigare roll. Man kan säga att elektronikens prestanda har kommit i kapp optikens behov. Därför har vi nu också knutit forskare från institutionen för data- och informationsteknik, DoIT, som är duktiga på elektronik, till oss.
För att överbrygga de kulturella skillnaderna mellan de olika institutionerna, och på så sätt främja tvärvetenskaplig samverkan, så jobbar man aktivt med några olika strategier. Till exempel för man samman olika kompetenser i delprojekt, man har regelbundna ”brainstorming-möten” med representanter från alla institutioner, och man rekryterar doktorander parvis och låter dem sitta tillsammans på alla institutioner som är med i projektet.
– Just det här att ha doktorander som cirkulerar mellan institutionerna tror jag är otroligt viktigt för att skapa en känsla av att vi är ett projekt som drivs åt samma håll. Mobilitet är avgörande för att skapa inspiration och det här projektet är ett sätt att skapa mobilitet mellan institutioner på Chalmers.
Identifiera flaskhalsar
Projektets mål är att först identifiera flaskhalsarna i de fiberoptiska systemen, det vill säga var i systemen de största energitjuvarna finns, och sedan designa och bygga en modell som bara förbrukar en tiondel av den energi som dagens bästa fiberoptiska system förbrukar. Uppgiften är komplex med många samvarierande faktorer och svåra avvägningar.
– Under mötena när vi ”brainstormar” använder vi en tavla där vi skriver ner vilka parametrar och aspekter som är centrala för ett visst tema. På så sätt får vi en typ av spindeldiagram som gör det möjligt för oss att förstå vad som händer om vi förändrar en parameter, det vill säga vilka konsekvenser förändringen får för andra aspekter och parametrar i systemet.
Val av optisk hårdvara kommer till exempel direkt att påverka vilken elektronik som behövs och även hur mycket energi som förbrukas. Med en felrättande kod kan man minska kraven på hårdvaran, till exempel när det gäller prestandan på lasrar, men det kostar energi eftersom den felrättande elektroniska hårdvaran också förbrukar energi.
Två parallella spår
I projektet jobbar forskarna med två parallella spår som båda handlar om fiberoptiska system. Det ena är datakommunikation, det vill säga korta optiska transmissionssystem som sträcker sig 1 till 500 meter. Exempel på sådana är serverhallar och nätverksbaserade beräkningskluster, så kallade moln. Det andra är kraftigare optiska system med högre prestanda och mycket sofistikerad elektronik som aggregerar trafik från många användare. Exempel på sådana system är så kallade metronätverk som transporterar data över avstånd upp till hundratals kilometer.
– Den stora utmaningen handlar om att sam-optimera elektroniken, optiken och algoritmerna. Samtidigt tror och hoppas jag, att samarbetet mellan forskarna från de olika disciplinerna kommer att öppna nya möjligheter. Vi hoppas helt enkelt på en synergieffekt där 1+1+1 blir mycket mer än 3.
Text Anders Esselin
Bild Magnus Bergström
