Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, nyligen avslutat ett femårigt forskningsprojekt för att göra fiberoptiska kommunikationssystem mer energieffektiva. Bland deras förslag finns smarta, felkorrigerande datachipkretsar som förbrukar 10 gånger mindre energi. Projektet har gett flera vetenskapliga artiklar i publikationer bl.a Naturkommunikation .

Strömmande filmer och musik, bläddra genom sociala medier, och att använda molnbaserade lagringstjänster är vardagliga aktiviteter nu. Men för att tillgodose denna digitala livsstil krävs att en enorm mängd data överförs genom fiberoptiska kablar – och den mängden ökar i en nästan ofattbar hastighet, förbrukar enorma mängder el. Detta är ohållbart – med nuvarande ökningstakt, utan energieffektivitetsvinster, inom 10 år, Enbart internet kommer att förbruka mer el än vad som för närvarande genereras över hela världen. Elproduktionen kan inte öka i samma takt utan att kraftigt öka användningen av fossila bränslen för elproduktion, leder i sin tur till en betydande ökning av koldioxidutsläppen.

"Utmaningen ligger i att möta den oundvikliga efterfrågan på kapacitet och prestanda, samtidigt som man håller kostnaderna på en rimlig nivå och minimerar miljöpåverkan, säger Peter Andrekson, professor i fotonik vid institutionen för mikroteknik och nanovetenskap på Chalmers.

Andrekson var ledare för det femåriga forskningsprojektet, vilket har bidragit till betydande framsteg på området. I den tidiga fasen av projektet, Chalmersforskarna identifierade de största energiavloppen i fiberoptiska system. Med denna kunskap, de designade och byggde ett koncept för ett dataöverföringssystem som förbrukar så lite energi som möjligt. Att optimera komponenterna i systemet mot varandra resulterar i betydande energibesparingar.

För närvarande, några av de mest energikrävande komponenterna är felkorrigeringsdatachips, som används i optiska system för att kompensera för brus och störningar. Chalmersforskarna har nu designat om dessa datachips med optimerade kretsar. "Våra mätningar visar att energiförbrukningen för våra raffinerade chips är cirka 10 gånger mindre än konventionella felkorrigerande chips, säger Per Larsson-Edefors, professor i datateknik vid institutionen för datavetenskap och teknik på Chalmers.

På systemnivå, forskarna visade också fördelarna med att använda optiska frekvenskammar istället för att använda separata lasersändare för varje frekvenskanal. En optisk frekvenskam avger ljus på alla våglängder samtidigt, vilket gör sändaren mycket frekvensstabil. Detta gör mottagningen av signalerna mycket enklare – och därmed mer energieffektiv.

Energibesparingar kan också göras genom att styra fiberoptisk kommunikation på nätverksnivå. Genom att matematiskt modellera energiförbrukningen i olika nätverksresurser, datatrafik kan styras och styras så att resurserna används optimalt. Detta är särskilt värdefullt om trafiken varierar över tiden, som är fallet i de flesta nätverk. För detta, forskarna utvecklade en optimeringsalgoritm som kan minska nätverkets energiförbrukning med upp till 70 %.

Forskarna sökte den mest energibesparande övergripande lösningen som möjligt utan att offra systemets prestanda. Dessa forskningsgenombrott erbjuder stor potential för att göra framtidens internet avsevärt mer energieffektivt. Flera vetenskapliga artiklar har publicerats inom de tre forskningsdisciplinerna optisk hårdvara, elektroniksystem och kommunikationsnät.

"Att förbättra energieffektiviteten för dataöverföring kräver multidisciplinär kompetens. Utmaningarna ligger vid mötespunkterna mellan optisk hårdvara, kommunikationsvetenskap, elektronikteknik med mera. Det är därför detta projekt har varit så framgångsrikt, säger Erik Agrell, professor i kommunikationssystem vid institutionen för elektroteknik på Chalmers.

Forskningen kan ha en enorm potential att göra internettekniken betydligt mer energieffektiv. Det har resulterat i flera forskningspublikationer inom de tre vetenskapliga disciplinerna optisk hårdvara, elektroniksystem och kommunikationsnät.