Такие технологии могут помочь уменьшить влияние интернета на климат.
Исследователи только что установили новый рекорд по передаче данных. Используя один маленький компьютерный чип, они передали 1,84 петабита данных в секунду. Это равносильно одновременной передаче 122 миллионов фильмов Netflix.
"Мы передали все это за один раз", - говорит Асбьёрн Арвад Йоргенсен. Он является физиком, сотрудничающим с Техническим университетом Дании, а также с Университетом Копенгагена.
Это действительно впечатляет, отмечает Билл Коркоран. Раньше на такой подвиг потребовалось бы много микросхем и гораздо больше энергии. Коркоран - физик из Университета Монаша в Мельбурне, Австралия. Он не принимал участия в этом исследовании. Но он много знает в этой области. С 2020 года его группе принадлежал рекорд по самой высокой скорости передачи данных с помощью одного чипа.
"Очень приятно видеть, что рекорды бьются такими темпами", - говорит Коркоран.
Датская команда сообщила о своем новом достижении в журнале Nature Photonics 20 октября 2022 года.
Эти исследователи воспользовались особым явлением света, называемым оптической частотной гребенкой. Чтобы создать такую гребенку, нужно взять лазер и посветить им в специальную камеру. На выходе получается тщательно созданная радуга, все цвета которой равномерно распределены. "Мой шестилетний сын называет их радужными лазерами", - говорит Коркоран.
Исследователи, которые впервые придумали, как превратить лазерный свет в этот особый тип радуги, получили Нобелевскую премию по физике в 2005 году. Но их методика предполагала использование больших машин, "размером с двуспальную кровать", - говорит Коркоран.
В 2007 году Тобиас Киппенберг был частью команды, которая выяснила, как сделать то же самое с помощью крошечных чипов. Радуги, полученные таким образом, теперь называются микрокомбами. Киппенберг работает в Швейцарском федеральном технологическом институте Лозанны. Это открытие было "полезным и захватывающим", - говорит он. Тогда, добавляет он, "я и мечтать не мог о такой области, какой она является сегодня".
Микрокомбы могут действовать как крошечные линейки, помогая производить чрезвычайно точные измерения. Ученые используют их для выявления заболеваний, изучения планет за пределами нашей Солнечной системы и создания более точных часов. И, конечно, микрокомбы могут улучшить цифровые коммуникации.
Когда устройство подключается к Интернету, сигналы передаются туда и обратно. Во многих городах эти сигналы проходят по оптоволоконным кабелям, или "световодам". Изготовленные из стекла, эти чрезвычайно узкие трубы передают данные в виде световых импульсов.
Вот как это происходит. Лазер светит через устройство, называемое модулятором. Модулятор преобразует пакеты данных из цифровой формы в световые схемы. Затем он манипулирует светом лазера, чтобы создать эти паттерны. Один из узоров может включать и выключать свет. Затем эти шаблоны передаются по оптоволокну со скоростью света. На другом конце приемник преобразует их обратно в цифровые данные.
Большинство оптоволоконных кабелей имеют только одну жилу - единственную трубу, по которой может проходить свет. Чтобы передать сразу много данных, необходимо вместить в эту трубу несколько пучков света. Чтобы пучки света путешествовали вместе, не толкаясь и не портя данные друг друга, они должны иметь уникальные длины волн. Другими словами, они должны быть разного цвета.
Обычно для генерации каждого цвета нужны отдельные лазеры. Системы, использующие эту технику сегодня, могут работать с 80 различными лазерами одновременно.
Микрокомбы позволили заменить все эти различные лазеры. Теперь один лазер, светящий в специальный тип чипа, расщепляется на множество различных длин волн. Это происходит потому, что свет проходит вокруг крошечного кольца из специального материала. Свойства этого материала позволяют свету выходить только на определенных, равномерно распределенных длинах волн.
Кольцо, которое использовала группа Йоргенсена, создало 223 различные длины волн - или радугу из 223 цветов! К сожалению, вы не сможете их увидеть, так как каждый цвет находится в инфракрасном диапазоне.
Но датская группа не остановилась на этом. Они также использовали новый тип волоконно-оптического кабеля, который содержит 37 жил. Это означает, что внутри одного кабеля находится 37 отдельных труб. Каждая из них может передавать те же длины волн, что и другие, без помех. Поэтому команда начала с 223 различных цветов, а затем разделила каждый цвет на 37 частей. В итоге получилось 8 251 различных лучей света. Каждый луч проходил через модулятор, который манипулировал светом для передачи данных.
В реальном центре обработки данных такая техника потребовала бы 8 251 отдельных модуляторов. Поскольку эти устройства стоят дорого, команда обошлась всего тремя. Модуляторы повторяли одни и те же наборы данных снова и снова. Но они сделали это таким образом, что смогли доказать, что неповторяющиеся данные из тысяч модуляторов также будут передаваться правильно.
В новой демонстрации 8 251 пучок света передал больше, чем весь мировой объем данных. Для этого испытания данные прошли 7,9 километра (4,9 мили) по оптоволоконному кабелю.
Конечно, все данные всего мирового интернета никогда не должны перемещаться по одному кабелю. На самом деле, ни один суперкомпьютер сегодня не может даже генерировать 1,84 петабита в секунду. Это еще одна причина, по которой исследователям пришлось копировать данные для своих тестов.
Несмотря на то, что сейчас никому не нужно перемещать данные так быстро, исследователи планируют все наперед. "Мы смотрим в будущее", - говорит Билл Коркоран. По его словам, если заглянуть на 10 лет вперед, то некоторые линии связи между городами или странами могут потребовать петабитной скорости передачи данных.
Такая высокая скорость может оказаться полезной в центрах обработки данных еще раньше, говорит Йоргенсен. По его словам, 8 251 пучок света может быть рассеян в разных направлениях с одного чипа. Таким образом, один чип может поддерживать множество световодов.
Прежде чем новое устройство можно будет использовать в реальных условиях, над ним еще предстоит поработать. Во-первых, инженерам еще предстоит найти способ объединить множество модуляторов на одной платформе, говорит Коркоран. Количество модуляторов должно соответствовать количеству создаваемых световых пучков. Представить себе тысячи модуляторов на одном чипе сейчас сложно. Даже 100 будет "удивительным достижением", - говорит он. Тем не менее, новое исследование важно из-за "экономии энергии и затрат", которую оно обещает, говорит Коркоран. Новая технология использует меньше лазеров, чем существующие методы. Это делает ее более энергоэффективной.
В настоящее время Интернет потребляет много электроэнергии. В то же время использование данных резко возрастает. А энергия, необходимая для сложных вычислительных задач, таких как добыча криптовалют и обучение систем искусственного интеллекта, уже представляет опасность для климата. Новая инновация в перемещении данных может помочь сделать так, чтобы потребление электроэнергии не росло так же резко, как потребление данных. А это поможет уменьшить влияние интернета на климат.
