optisk fiber

Ny modell för datatrafik sparar energi på internet

​Internet har seglat upp i samhällsdebatten som en klimatbov som orsakar koldioxidutsläpp i klass med flyget. På Chalmers pågår sedan fem år forskning för att bygga modeller för energisnålare datatrafik. Hittills har forskarna inom vissa områden lyckats minska energiförbrukningen till en tiondel.​
Vi strömmar film och musik, lagrar bilder i molnet och är ständigt uppkopplade mot alla möjligheter som internet erbjuder. Att använda en vanlig smartphone drar ungefär lika mycket el som ett kylskåp. Men att ladda mobilen kräver bara en försumbar del av den energin. Resten av elförbrukningen sker inte hemma hos oss utan i serverhallar, där data som finns i molnet lagras, och när data transporteras i fiberoptiska kablar som kan vara hundratals kilometer långa.

Explosionsartad ökning av datatrafiken
Mängden data som transporteras via fiberoptiska kablar ökar i närmast ofattbar takt. Så gör även energiförbrukningen från datatrafiken. Om inte något görs åt ökningstakten kommer jordens hela elproduktion inom tio år att behöva tas i anspråk enbart för användning av internet.

Peter Andrekson– Det är en stor utmaning för samhället, och för oss forskare, att få ihop ekvationen att tillgodose efterfrågan på datakapacitet och prestanda, samtidigt som kostnaderna hålls på en rimlig nivå och miljöpåverkan minimeras. Det kräver inte minst ett helt nytt sätt att optimera de tekniska systemen, säger Peter Andrekson, professor i fotonik på Chalmers, som de senaste fem åren lett ett stort forskningsprojekt med syfte att bygga en framtidsmodell för energisnål datatrafik.

Projektets mål har varit att hitta var de största energitjuvarna finns i de fiberoptiska systemen, och att därefter konstruera och bygga en modell som bara förbrukar en tiondel så mycket energi som de befintliga systemen. För att lyckas med detta har ansatsen varit bred, och man har förenat tre olika vetenskapliga perspektiv – optisk hårdvara, elektronisk hårdvara samt informationsteori för att samordningen och överföringen av data däremellan ska kunna ske på bästa möjliga sätt.

Många små energitjuvar
Något som till viss del förvånade forskarna var att det finns många små energitjuvar som påverkar systemet, inte ett fåtal stora flaskhalsar att angripa.

Erik Agrell– Signalprocessorerna i de optiska systemens sändare och mottagare är en sådan energitjuv, säger Erik Agrell, professor i kommunikationssystem, som i projektet ansvarat för att ta fram matematiska modeller för att konstruera nya, effektivare typer av sändare och mottagare. Högre överföringshastigheter för data kräver att sändare och mottagare kan hantera starkare signaler. Med hjälp av en felrättande kod kan emellertid kraven på den optiska hårdvaran delvis sänkas. Å andra sidan drar det även mer energi, eftersom den felrättande elektroniska hårdvaran också förbrukar el. Detta är ett konkret exempel på att man behöver göra avvägningar mellan prestanda, kostnad och energiförbrukning för att hitta den bästa lösningen i det enskilda fallet. 

Inom projektets ram har chip med felrättande kod designats på Chalmers och specialtillverkats i Europa. Chipen har sedan testats för att verifiera att de teoretiska modellerna och simuleringarna för effektförbrukningen håller även i praktiken. Design och utvärdering har skett i professor Per Larsson-Edefors forskargrupp på Chalmers institution för data- och informationsteknik. ​​

Mål att minska energiförbrukningen till en tiondel
Förutsättningarna för att kunna designa det optimala systemet skiljer sig åt bland annat beroende på avståndet som data transporteras. Dels har forskarna studerat datakommunikation över korta avstånd, från 1 till 500 meter, som exempelvis förekommer i serverhallar och nätverksbaserade beräkningskluster. Dels har forskningen inriktats mot kraftigare optiska system, där trafik från många användare går samtidigt över avstånd uppemot hundratals kilometer. 

Projektets målsättning att minska energiförbrukningen till en tiondel jämfört med den teknik som används idag, känns på förhand ganska tuff. 

– Inom avgränsade områden kan vi, inte utan stolthet, konstatera att vi lyckats nå ner till de storleksnivåer som vi hoppades på, säger Peter Andrekson. Det gäller inte minst effektminskning tack vare den felrättande koden. Vi har också fått god respons på de vetenskapliga resultat vi presenterat. Tyvärr är kommersiella företag inte särskilt villiga att bidra i den här typen av forskning. Av konkurrensskäl behåller man sin kunskap för sig själv men tar gärna del av resultat från den akademiska världen.

Cristian Bogdan Czegledi och Erik Agrell 
Professor Erik Agrell (till höger i bild) diskuterar polarisationseffekter i fiberoptisk kommunikation, med doktoranden Cristian Bogdan Czegledi. (Foto J-O Yxell)​


Tvärvetenskapligt arbetssätt
För att nå resultat som verkligen optimerar systemet som helhet, och inte enbart de ingående delarna, har arbetet skett tvärvetenskapligt över tre forskningsfält. Totalt kommer projektet att resultera i fem doktorsavhandlingar. Doktoranderna har cirkulerat och arbetat parvis över institutionsgränserna – ett upplägg som legat till grund för att nå breda forskningsresultat. 

– Ärligt talat har det varit en tidskrävande process för oss inom projektet att förstå varandras begrepp fullt ut. Även om vi jobbar med närliggande forskning så finns det kulturskillnader mellan våra specialområden. Chalmers har en styrka i sitt kompetenscentrum FORCE​, som koordinerar forskning kring fiberoptisk kommunikation, säger Peter Andrekson som även är centrumets föreståndare. Framöver breddar vi oss ytterligare genom att forskargruppen Optiska nätverk, ursprungligen från KTH i Stockholm, flyttat sin verksamhet till Chalmers.

Hushållning krävs för ett hållbart internet
– För att få ett internet som är hållbart ur resurssynpunkt behöver man jobba med tre olika perspektiv, säger Erik Agrell. Det gäller att utveckla och använda kommunikationsteknik som är energieffektiv, och där kan vi forskare bidra. För det andra handlar det om att medvetandegöra och skapa incitament hos var och en av oss som använder internet att inte slösa med datatrafiken i onödan. Där har såväl den enskilde individen som samhället och våra politiker ett hållbarhetsansvar. Och för det tredje spelar det roll för klimatet vilka energikällor som används för landets elförsörjning – ju mindre fossilt och ju mer förnybart desto bättre.

– Jag är övertygad om att vi är på väg mot ett paradigmskifte, avslutar han. Inom en inte alltför avlägsen framtid kommer datamängder och tunga beräkningar att ses som en resurs att hushålla med, inte som en gratis tillgång som är obegränsad.

Mer om forskningen
Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, med 33,9 miljoner kronor under fem år från 2014.


För mer information kontakta
Peter Andrekson, professor i fotonik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers, peter.andrekson@chalmers.se
Erik Agrell, professor i kommunikationssystem vid institutionen för elektroteknik på Chalmers


Text: Yvonne Jonsson
Foto: J-O Yxell (bild överst på sidan), Henrik Sandsjö (porträttfoto Peter Andrekson) och Oscar Mattsson (porträttfoto Erik Agrell)


Så fungerar datatrafik och lagring på internet
Internet är till stor del uppbyggt av fiberoptiska kablar, som finns inbyggda i våra hus, nedgrävda i marken och på havets botten. I kablarna leds ljus genom knippen av optiska fibrer med kärnor av mycket rent glas eller plast. Fibrerna kan ha en diameter från några millimeter ner till mindre än ett hårstrås diameter, och de kan vara mycket långa. En sändare skickar kodade ljussignaler genom de optiska fibrerna med hjälp av laser eller lysdioder. I andra änden tar en mottagare emot ljussignalerna och översätter dem tillbaka till elektriska impulser, som därefter skickas vidare till datorer, tv-apparater eller mobiler. Om fibersystemet sträcker sig över långa avstånd kan också signalförstärkare behövas mellan sändaren och mottagaren.
När vi använder internetbaserade molntjänster får vi tillgång till applikationer, datalagring och serverkapacitet via nätet istället för att detta måste finnas lokalt hos oss som användare. Våra data lagras då i enorma serverhallar. Dessa datacenter förbrukar el för datalagringen, men också för att kyla ner servrarna.


Publicerad: on 06 nov 2019.