Optimering på systemnivå gör internet energisnålare

Forskare på Chalmers har i ett nyligen avslutat femårigt forskningsprojekt studerat hur fiberoptiska kommunikationssystem kan göras mer energieffektiva. Bland åtgärderna som forskarna föreslår finns smarta, felrättande datachips som konstruerats så att de förbrukar tio gånger mindre energi. Projektet har resulterat i flera vetenskapliga artiklar, bland annat i publikationen Nature Communications.

Vi strömmar film och musik, använder molnbaserade lagringstjänster, kollar sociala medier och är ständigt uppkopplade mot alla möjligheter som internet erbjuder. Men vår digitala livsstil kräver att stora mängder data transporteras genom fiberoptiska kablar – och datamängden ökar i en närmast ofattbar takt, vilket också medför en enorm förbrukning av elektricitet. Denna utveckling är ohållbar för samhället. Om ökningstakten fortsätter på samma sätt, utan att några energieffektiviserande åtgärder görs, kommer enbart internet inom tio år att konsumera mer än hela världens nuvarande elproduktion. Produktionen av el kan inte öka i samma takt utan att en drastisk ökning sker i användningen av fossila bränslen, vilket även skulle resultera i en betydande ökning av koldioxidutsläppen.

– Utmaningen är att tillgodose den stora efterfrågan på datakapacitet och prestanda, samtligt som kostnaderna hålls på en rimlig nivå och miljöpåverkan minimeras, säger Peter Andrekson, professor i fotonik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Peter Andrekson har lett det femåriga forskningsprojektet ‘Energieffektiv optisk fiberkommunikation’, som resulterat i flera framsteg inom området.

Chalmersforskarna identifierade inledningsvis var energitjuvarna finns i dagens fiberoptiska system. Med detta som utgångspunkt har de därefter konstruerat och byggt en modell av ett system för dataöverföring som förbrukar så lite energi som möjligt. Energibesparingen kan bli betydande om de ingående delarna i systemet optimeras mot varandra.

En komponent som hittills ansetts vara en av de mest energikrävande är datachips för felrättning – integrerade kretsar som används i de optiska systemen för att kompensera för störningar och brus. På Chalmers har forskarna nu lyckats designa sådana chips där kretsarna i sig själva optimeras.

– Våra mätningar visar att energiåtgången vid användning av det här datachipset blir tio gånger mindre än för konventionella felrättande datakretsar, säger Per Larsson-Edefors, professor i datorteknik vid institutionen för data- och informationsteknik på Chalmers.

Forskarna har på systemnivå också demonstrerat fördelarna med att använda så kallade optiska frekvenskammar istället för att ha separata lasersändare för varje frekvenskanal. En optisk frekvenskam sänder ut ljus i alla våglängder samtidigt, vilket gör sändaren mycket frekvens-stabil. Det i sin tur ger mycket enklare mottagning av signaler – och därmed mindre energiförbrukning.

Energibesparingar kan också göras i styrningen av fiberoptiska kommunikationsnätverk. Genom att matematiskt modellera energiförbrukningen i olika nätverksresurser kan datatrafiken styras, så att resurserna utnyttjas på ett optimalt sätt. Detta är speciellt värdefullt om trafiken varierar över tid, vilket är fallet i de flesta nätverk. Genom att använda den optimeringsalgoritm som chalmersforskarna tagit fram kan energiförbrukningen då minskas med upp till 70 procent.

Framgångsreceptet har varit den breda ansatsen i projektet, där forskare från tre olika forskningsområden samarbetat för att finna en så energibesparande helhetslösning som möjligt, utan att ge avkall på prestanda i systemet.

Dessa forskningsrön innebär att det finns stora möjligheter att göra framtidens internet betydligt energieffektivare. Flera vetenskapliga artiklar har publicerats inom de tre forskningsområdena optisk hårdvara, elektroniksystem och kommunikationsnätverk.

– För att förbättra energieffektiviteten i dataöverföringen krävs tvärvetenskaplig kompetens. Utmaningarna ligger i skärningspunkterna mellan optisk hårdvara, elektroniksystem och kommunikationsnätverk. Det är därför det här projektet har varit så framgångsrikt, säger Erik Agrell, professor i kommunikationssystem vid institutionen för elektroteknik på Chalmers.

Mer om forskningen

Det femåriga forskningsprojektet ’Energieffektiv optisk fiberkommunikation’ genomfördes 2014-2019 och har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Forskningen bedöms ha stor potential att göra framtidens internetanvändning betydligt mer energisnål. Projektet har resulterat i flera vetenskapliga publiceringar inom forskningsdisciplinerna optisk hårdvara, elektroniksystem och kommunikationsnätverk, bland annat följande tre artiklar:

Phase-coherent lightwave communications with frequency combs, i tidskriften Nature Communications

Energy-Efficient High-Throughput VLSI Architectures for Product-Like Codes, i tidskriften Lightwave Technology

Joint power-efficient traffic shaping and service provisioning for metro elastic optical networks, i tidskriften IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,

Mer information om den integrerade kretsen – det smarta felrättande datachipset:

Datachipset (den integrerade kretsen) har designats på Chalmers och specialtillverkats i Grenoble i Frankrike. Därefter har chalmersforskarna verifierat chipsets funktion och uppmätt energiförbrukningen, som knappt uppgår till en tiondel av vad dagens motsvarande felrättande kretsar drar.

Vid en hastighet för dataöverföringen på 1 terabit per sekund (1 terabit = 1 biljon bitar) har forskarna visat att chipset är så effektivt att det drar mindre energi än 2 pico joule (1 pico joule = 1 biljondels joule) per överförd bit. Detta motsvarar en effektförbrukning av 2 Watt vid denna datatakt. Jämförelsevis ligger energiåtgången vid så höga överföringshastigheter annars på cirka 50 pico joule per bit, det vill säga 50 Watt.

För mer information kontakta

Optisk hårdvara:

Peter Andrekson, ledare för forskningsprojektet och professor i fotonik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers 

peter.andrekson@chalmers.se

+46 31 772 16 06

Elektroniksystem:

Per Larsson-Edefors, professor i datorteknik vid institutionen för data- och informationsteknik på Chalmers

perla@chalmers.se

+46 31 772 17 00

Kommunikationsnätverk:

Erik Agrell, professor i kommunikationssystem vid institutionen för elektroteknik på Chalmers

agrell@chalmers.se

+46 31 772 17 62

Taggar: