Повышение энергоэффективности Интернета за счет системной оптимизации


Исследователи из Технологического университета Чалмерса, Швеция, недавно завершили пятилетний исследовательский проект, посвященный тому, как сделать системы оптоволоконной связи более энергоэффективными. Среди их предложений – интеллектуальные схемы микросхем данных с исправлением ошибок, которые они улучшили, чтобы они потребляли в 10 раз меньше энергии. По проекту было опубликовано несколько научных статей, в том числе в публикациях Nature Communications .

Просмотр фильмов и музыки, просмотр социальных сетей и использование облачных хранилищ стали повседневными делами. Но для того, чтобы приспособиться к такому цифровому образу жизни, необходимо передавать огромное количество данных по оптоволоконным кабелям – и этот объем увеличивается с почти невообразимой скоростью, потребляя огромное количество электроэнергии. Это совершенно неприемлемо – при нынешних темпах роста, если не будет достигнуто повышение энергоэффективности, в течение десяти лет один только Интернет будет потреблять больше электроэнергии, чем в настоящее время вырабатывается во всем мире. Производство электроэнергии не может быть увеличено такими же темпами без значительного увеличения использования ископаемого топлива для производства электроэнергии, что, в свою очередь, приведет к значительному увеличению выбросов углекислого газа.

«Задача состоит в том, чтобы удовлетворить неизбежный спрос на емкость и производительность при сохранении разумного уровня затрат и минимизации воздействия на окружающую среду», – говорит Питер Андрэксон, профессор фотоники на факультете микротехнологии и нанонауки в Чалмерсе.

Питер Андрэксон был руководителем 5-летнего исследовательского проекта «Энергосберегающая оптоволоконная связь», который внес значительный вклад в развитие этой области.

На ранней стадии проекта исследователи Чалмерса определили самые большие потери энергии в современных волоконно-оптических системах. Обладая этими знаниями, они затем спроектировали и построили концепцию системы передачи данных, которая потребляет как можно меньше энергии. Оптимизация компонентов системы друг против друга приводит к значительной экономии энергии.

В настоящее время одними из наиболее энергоемких компонентов являются микросхемы данных с исправлением ошибок, которые используются в оптических системах для компенсации шума и помех. Исследователям Чалмерса удалось разработать эти микросхемы данных с оптимизированными схемами.

«Наши измерения показывают, что энергопотребление наших усовершенствованных микросхем примерно в 10 раз меньше, чем у обычных микросхем с исправлением ошибок», – говорит Пер Ларссон-Эдефорс, профессор компьютерной инженерии факультета компьютерных наук и инженерии Chalmers. / p>

На системном уровне исследователи также продемонстрировали преимущества использования «оптических частотных гребенок» вместо отдельных лазерных передатчиков для каждого частотного канала. Гребенка оптической частоты излучает свет одновременно на всех длинах волн, что делает передатчик очень стабильным по частоте. Это значительно упрощает прием сигналов и, следовательно, снижает энергопотребление.

Экономия энергии также может быть достигнута за счет управления оптоволоконной связью на уровне сети. Путем математического моделирования потребления энергии в различных сетевых ресурсах можно контролировать и направлять трафик данных, чтобы ресурсы использовались оптимально. Это особенно ценно, если трафик со временем меняется, как в большинстве сетей. Для этого исследователи разработали алгоритм оптимизации, который может снизить энергопотребление сети до 70%.

Рецептом этих успехов стал широкий подход к проекту, при котором ученые из трех различных областей исследований сотрудничали, чтобы найти наиболее энергосберегающее общее решение без ущерба для производительности системы.

Эти научные открытия открывают большие возможности для того, чтобы сделать Интернет будущего значительно более энергоэффективным. Было опубликовано несколько научных статей по трем исследовательским дисциплинам: оптическое оборудование, электронные системы и сети связи.

«Повышение энергоэффективности передачи данных требует многопрофильных компетенций. Проблемы возникают на стыке оптического оборудования, коммуникаций, электронной инженерии и многого другого. Вот почему этот проект оказался таким успешным», – говорит Эрик Агрелл, профессор коммуникаций Системы на кафедре электротехники в Чалмерсе.

Подробнее об исследованиях

Пятилетний исследовательский проект «Энергоэффективная волоконно-оптическая связь» проводился в период с 2014 по 2019 год и финансировался Фондом Кнута и Алисы Валленберг. Исследование может иметь огромный потенциал, чтобы сделать использование Интернета в будущем значительно более энергоэффективным. В результате было опубликовано несколько исследовательских публикаций по трем научным дисциплинам: оптическое оборудование, электронные системы и сети связи, в том числе следующие три:

Энергоэффективные архитектуры СБИС с высокой пропускной способностью для кодов, подобных продукту, в журнале Lightwave Technology

Фазово-когерентная световая связь с частотными гребенками, в журнале Nature Communications

Совместное энергоэффективное формирование трафика и предоставление услуг для городских эластичных оптических сетей, в журнале IEEE / OSA Journal of Optical Communications and Networking,

Дополнительная информация об интеллектуальных микросхемах данных с исправлением ошибок или интегральных схемах:

Чипы данных или интегральные схемы были разработаны Chalmers и произведены в Гренобле во Франции. Исследователи Chalmers впоследствии проверили производительность чипов и измерили потребление энергии, которое составляло лишь десятую часть от существующих чипов с исправлением ошибок. Было показано, что при скорости передачи данных 1 терабит в секунду (1 терабит = 1 триллион бит) схемы с исправлением ошибок Чалмерса потребляют энергию около 2 пикоджоулей (1 пикоджоуль = 1 триллионная джоуля) на бит. Это соответствует потребляемой мощности 2 Вт при данной скорости передачи данных. Для сравнения, текущее потребление энергии при таких высоких скоростях передачи составляет около 50 пикоджоулей на бит, около 50 Вт ».


Добавить комментарий