Čip koji može prenijeti podatke cijelog svijeta

Tehnologija koja bi mogla smanjiti utjecaj interneta na klimu

Istraživači su postavili novi rekord u prijenosu podataka. Koristeći jedan mali računalni čip, prenijeli su 1,84 petabita podataka u sekundi. To je jednako 122 milijuna filmova Netflixa koji se emitiraju u isto vrijeme.

“Sve smo to prenijeli odjednom”, kaže Asbjørn Arvad Jørgensen, fizičar povezan s Tehničkim sveučilištem u Danskoj i Sveučilištem u Kopenhagenu.

To je doista dojmljivo, napominje Bill Corcoran. Prije je za takav podvig bilo potrebno mnogo čipova i puno više energije. Corcoran je fizičar na Sveučilištu Monash u Melbourneu, Australija. Od 2020. njegova je grupa držala rekord za najveću brzinu prijenosa podataka korištenjem jednog čipa.

“Sjajno je vidjeti kako se obaraju rekordi ovim tempom”, kaže Corcoran.

Ovi su istraživači iskoristili poseban fenomen svjetlosti koji se naziva optički frekvencijski češalj. Kako bi se to učinilo, potrebno je uzeti laser i obasjati njime kroz posebnu komoru. Pojavljuje se pažljivo izrađena duga sa svim bojama ravnomjerno raspoređenim. “Moj 6-godišnji sin to naziva duginim laserima”, kaže Corcoran.

Istraživači koji su prvi otkrili kako lasersku svjetlost pretvoriti u ovu posebnu vrstu duge podijelili su Nobelovu nagradu za fiziku 2005. godine. Ali njihova se tehnika oslanjala na velike strojeve veličine bračnog kreveta.

Godine 2007. Tobias Kippenberg bio je dio tima koji je smislio kako napraviti istu stvar koristeći malene čipove. Duge proizvedene na ovaj način sada se nazivaju mikročešljevi. Kippenberg radi na Švicarskom saveznom institutu za tehnologiju u Lausanni.

Mikročešljevi mogu djelovati poput sićušnih ravnala koja pomažu u iznimno preciznim mjerenjima. Znanstvenici ih koriste za otkrivanje bolesti, učenje o planetima izvan našeg sunčevog sustava i izradu preciznijih satova. I naravno, mikročešljevi mogu poboljšati digitalnu komunikaciju.

Kako svjetlost prenosi podatke

Kada se uređaj spoji na internet, signali se kreću naprijed-natrag. U mnogim gradovima i mjestima ti signali putuju optičkim kabelima ili “svjetlosnim cijevima”. Izrađene od stakla, ove iznimno uske cijevi prenose podatke kao svjetlosne impulse.

Evo kako: Laser svijetli kroz uređaj koji se zove modulator. Modulator pretvara pakete podataka iz njihovog digitalnog oblika u uzorke svjetlosti. Zatim manipulira svjetlom lasera kako bi stvorio te uzorke. Jedan uzorak može sadržavati brzo uključivanje i isključivanje. Uzorci zatim jure duž vlakna brzinom svjetlosti. Na drugom kraju prijemnik ih pretvara natrag u digitalne podatke.

Optički kablovi raspoređeni u obliku polukugle, kraj svakog prozirnog kabela ističu se kao svijetle točke.

Kablovi od optičkih vlakana nisu samo korisni za podatke, oni su i lijepe igračke. Ovaj svjetlosni štapić pokazuje kako svjetlost putuje od jednog kraja svakog vlakna do drugog kraja, a da usput ne iscuri.

Većina optičkih kabela ima samo jednu jezgru — jednu cijev kroz koju svjetlost može putovati. Da biste poslali puno podataka odjednom, trebate smjestiti više zraka svjetlosti u tu jednu cijev. Kako bi putovale zajedno bez gužve i brkanja podataka, svjetlosne zrake moraju imati jedinstvene valne duljine. Drugim riječima, moraju biti različitih boja. Obično su potrebni zasebni laseri za generiranje svake boje. Sustavi koji danas koriste ovu tehniku mogu upravljati s 80 različitih lasera odjednom.

Mikročešljevi su omogućili zamjenu svih tih različitih lasera. Sada će se jedan laser koji svijetli u posebnu vrstu čipa podijeliti na mnogo različitih valnih duljina. To se događa jer svjetlost putuje oko sićušnog prstena od posebnog materijala. Svojstva ovog materijala dopuštaju svjetlost samo određenim, ravnomjerno raspoređenim valnim duljinama.

Prsten koji je koristila Jørgensenova grupa stvorio je nevjerojatne 223 različite valne duljine ‒ ili dugu od 223 boje. Ove se boje ne mogu vidjeti, nažalost, jer su sve u infracrvenom rasponu.

Ali danska skupina nije tu stala. Također su koristili novu vrstu optičkog kabla koji sadrži 37 jezgri. To znači da jedan kabel unutra ima 37 odvojenih cijevi. Svaka može prenositi iste valne duljine kao i druge, bez smetnji. Tako je tim započeo s 223 različite boje, a zatim je svaku boju podijelio na 37 načina. Sveukupno je bila 8251 različita zraka svjetlosti. Svaki je snop poslan kroz modulator koji je upravljao svjetlom za prijenos podataka.

U stvarnom podatkovnom centru ova bi tehnika zahtijevala 8251 odvojeni modulator. Budući da su ti uređaji skupi, tim se zadovoljio sa samo tri. Modulatori su stalno iznova ponavljali iste skupine podataka. Ali to su činili na takav način da mogu dokazati da bi podaci koji se ne ponavljaju iz tisuća modulatora također ispravno prenijeli podatke.

U njihovoj novoj demonstraciji, 8251 zraka svjetlosti nosila je više od podataka cijelog svijeta. Za ovaj test, podaci su putovali 7,9 kilometara (4,9 milja) duž optičkog kabla.

Budućnost podataka

Naravno, svi podaci cijelog svjetskog interneta nikad ne moraju putovati jednim kablom. Zapravo, niti jedno superračunalo danas ne može generirati 1,84 petabita u sekundi. To je još jedan razlog zašto su istraživači morali kopirati podatke za svoje testove.

Iako trenutno nitko ne mora tako brzo premještati podatke, istraživači planiraju unaprijed. “Gledamo dugoročno”, kaže Bill Corcoran. Gledajući 10 godina unaprijed, kaže on, neke veze između gradova ili zemalja mogle bi zahtijevati petabitne brzine prijenosa podataka.

Tako visoka stopa mogla bi biti korisna u podatkovnim centrima i prije. Naime, 8251 zraka svjetlosti potencijalno bi se mogla raspršiti u različitim smjerovima iz jednog čipa. Dakle, jedan čip može podržavati mnogo svjetlosnih cijevi.

Potrebno je još rada prije nego što se novi uređaj može staviti u stvarnu upotrebu. Kao prvo, inženjeri još nisu pronašli način kombiniranja mnogo modulatora na jednoj platformi. Broj modulatora mora odgovarati broju proizvedenih svjetlosnih zraka. Trenutno je teško zamisliti tisuće modulatora na jednom čipu. Čak bi i 100 bio nevjerojatan napredak. Ipak, novo istraživanje važno je zbog uštede energije i troškova. Nova tehnologija koristi manje lasera od trenutnih metoda. To je čini energetski učinkovitijom.

Internet troši mnogo struje. U isto vrijeme, potrošnja podataka nastavlja brzo rasti. A energija potrebna za teške računalne zadatke kao što su kriptomarenje i obuka sustava umjetne inteligencije već predstavlja rizik za klimu. Nova inovacija u prijenosu podataka mogla bi spriječiti da potrošnja električne energije raste tako brzo kao potrošnja podataka. A to bi moglo pomoći u smanjenju utjecaja interneta na klimu.

Ključne riječi

Umjetna inteligencija: Vrsta odlučivanja temeljena na znanju koju pokazuju strojevi ili računala. Pojam se također odnosi na područje proučavanja u kojem znanstvenici pokušavaju stvoriti strojeve ili računalni softver sposoban za inteligentno ponašanje.

Klima: vremenski uvjeti koji tipično postoje na jednom području općenito ili tijekom dugog razdoblja.

Računalni čip: (također integrirani krug) Računalna komponenta koja obrađuje i pohranjuje informacije.

Jezgra: Nešto, obično okruglog ili valjkastog oblika, što se nalazi u središtu nekog predmeta.

Podaci: Činjenice i/ili statistika prikupljeni u svrhu analize, ali ne nužno organizirani na način koji im daje značenje. Za digitalne informacije (vrste koje pohranjuju računala) ti su podaci obično brojevi pohranjeni u binarnom kodu, prikazani kao nizovi nula i jedinica.

Podatkovni centar: Objekt u kojem se nalazi računalni hardver, kao što su poslužitelji, usmjerivači, preklopnici i vatrozidi. Također je smještena oprema za podršku tom hardveru, uključujući klima-uređaj i rezervna napajanja. Veličina takvog centra varira od dijela prostorije do jedne ili više namjenskih zgrada.

Digitalno: (u informatici i inženjerstvu) Pridjev koji označava da je nešto numerički razvijeno na računalu ili na nekom drugom elektroničkom uređaju, temeljeno na binarnom sustavu gdje su svi brojevi prikazani korištenjem niza nula i jedinica.

Elektricitet: Tok naboja, obično iz kretanja negativno nabijenih čestica, zvanih elektroni.

Inženjer: Osoba koja koristi znanost i matematiku za rješavanje problema.

Učestalost: Broj puta kada se neka periodična pojava pojavljuje unutar određenog vremenskog intervala. U fizici, broj valnih duljina koje se pojavljuju u određenom vremenskom intervalu.

Internet: Elektronička komunikacijska mreža. Omogućuje računalima bilo gdje u svijetu da se povežu na druge mreže radi pronalaženja informacija, preuzimanja datoteka i dijeljenja podataka, uključujući slike.

Laser: uređaj koji stvara intenzivan snop koherentne svjetlosti jedne boje. Laseri se koriste u bušenju i rezanju, poravnavanju i vođenju, u pohrani podataka i u kirurgiji.

Poveznica (link): veza između dvije osobe ili stvari.

Nobelova nagrada: Prestižna nagrada nazvana po Alfredu Nobelu. Najpoznatiji kao izumitelj dinamita, Nobel je bio bogat čovjek kad je umro 10. prosinca 1896. U oporuci je ostavio velik dio svog bogatstva za stvaranje nagrada onima koji su dali sve od sebe za čovječanstvo na polju fizike, kemije, fiziologije ili medicine, književnosti i mira. Pobjednici dobivaju medalju i veliku novčanu nagradu.

Optički: Pridjev koji se odnosi na svjetlo ili vid.

Fenomen: Nešto što je različito i često iznenađujuće ili neobično.

Fotonika: Tehnologija i istraživanje svojstava i prijenosa svjetlosnih čestica zvanih fotoni.

Fizika: Znanstveno proučavanje prirode i svojstava materije i energije. Klasična fizika je objašnjenje prirode i svojstava materije i energije koje se oslanja na opise kao što su Newtonovi zakoni gibanja. Kvantna fizika, polje proučavanja koje se poslije pojavilo, točniji je način objašnjavanja gibanja i ponašanja materije. Znanstvenik koji radi u takvim područjima poznat je kao fizičar.

Duga: luk u boji prikazan preko neba tijekom ili neposredno nakon kiše. Nastaje kada kapljice vode u atmosferi savijaju (ili difraktiraju) bijelu sunčevu svjetlost u njene brojne sastavne nijanse: obično crvenu, narančastu, žutu, zelenu, plavu, indigo i ljubičastu.

Raspon: Puni opseg ili distribucija nečega. Na primjer, područje rasprostranjenja biljke ili životinje je područje na kojem ona prirodno postoji.

Rizik: šansa ili matematička vjerojatnost da bi se nešto loše moglo dogoditi. Na primjer, izloženost zračenju predstavlja rizik od raka. Ili sama opasnost. Na primjer: Među rizicima od raka s kojima su se ljudi suočavali bili su zračenje i pitka voda zaražena arsenom.

Sunčev sustav: osam velikih planeta i njihovi mjeseci u orbiti oko našeg Sunca, zajedno s manjim tijelima u obliku patuljastih planeta, asteroida, meteoroida i kometa.

Brzina svjetlosti: konstanta koja se često koristi u fizici, a odgovara 1,08 milijardi kilometara na sat.

Sustav: mreža dijelova koji zajedno rade kako bi postigli neku funkciju. Na primjer, krv, krvne žile i srce primarne su komponente krvožilnog sustava ljudskog tijela. Slično tome, vlakovi, peroni, tračnice, cestovni signali i nadvožnjaci među potencijalnim su komponentama željezničkog sustava. Sustav se može primijeniti i na procese ili ideje koje su dio neke metode ili uređenog skupa postupaka za obavljanje zadatka.

Tehnologija: Primjena znanstvenih spoznaja u praktične svrhe, posebno u industriji — ili uređaji, procesi i sustavi koji proizlaze iz tih napora.

Jedinstveno: Nešto što je različito od bilo čega drugoga, jedino te vrste.

Valna duljina: udaljenost između jednog vrha i sljedećeg u nizu valova, ili udaljenost između jednog dna i sljedećeg. To je također jedno od “mjerila” koje se koristi za mjerenje radijacije.

Vidljiva svjetlost: koja, kao i sva elektromagnetska zračenja, putuje u valovima — uključuje valne duljine između oko 380 nanometara (ljubičasto) i oko 740 nanometara (crveno). Zračenje s valnim duljinama kraćim od vidljive svjetlosti uključuje gama zrake, X-zrake i ultraljubičasto svjetlo. Zračenje dužih valnih duljina uključuje infracrveno svjetlo, mikrovalove i radiovalove.

Izvor: www.snexplores.org