Что спасет Всемирную сеть от коллапса

Потребление энергии сетью Интернет стремительно растет – коллапс можно предотвратить только через усиленное применение оптических технологий. «Век света» уже начался.

Уже через несколько лет Интернет может потерпеть крах. Он развивается так быстро, что в недалеком будущем все электростанции мира не смогут производить достаточно энергии, чтобы утолить энергетический голод крупных вычислительных центров Google & Co. Они не случайно находятся на реках и больших озерах, ведь необходимо большое количество охлаждающей воды.

Суперкомпьютеры должны становиться все мощнее, чтобы быть в состоянии справляться с потоком запросов и заданий. Правда, при удвоенной вычислительной мощности процессору требуется в четыре раза больше энергии. «В 2023 году Интернет поглотит всю производимую мировую энергию, — прогнозирует профессор Дитер Бимберг из Берлинского технического университета, — если потребление энергии этими машинами вовремя не снизится».

Не эзотерика, а технический прогресс

Каждый поисковый запрос в Google, каждое сообщение или другое действие в социальной сети запускают по всему миру в крупных серверных парках вычислительные процессы, а также процессы сохранения, которые требуют энергии. Один Google-запрос, по расчетам Института экологии во Фрайбурге, потребляет в среднем 0,0003 кВт/ч.

На первый взгляд, это кажется очень малым, так как такого количества энергии хватит лишь на то, чтобы включить одну энергосберегающую лампочку и оставить ее светить на одну минуту. Но постоянно возрастающее количество интернет-запросов, активное развитие мобильного интернета способствуют энергетическому голоду вычислительных центров.

Решение этой цифровой проблемы может принести лишь «век света». И это не эзотерика, а технические инновации, которые будут извлекать пользу из разнообразных физических свойств свет. Технологии, основанные на применении света, являются ключом к прогрессу.

Даже спутники общаются посредством лазерного излучения

Уже сегодня свет играет решающую роль в многочисленных технологиях. Без передачи данных через волоконно-оптические кабели работоспособность Интернета сегодня просто немыслима. Даже спутники на орбите с недавних пор общаются между собой с помощью лазерного излучения.

Лазерное оружие, являвшееся долгое время темой для научной фантастики и сценария «Звездных войн», между тем, достигло земного применения. Первые американские фрегаты уже оснащены лазерными пушками. Но больше всего пользы от новых световых технологий получает сфера IT.

«Нужно уменьшать количество потребляемой компьютерной техникой энергии в среднем на 18% в год, если мы хотим избежать краха», — подсчитывает Бимберг и оптимистично заявляет, что это достижимо с помощью света. Суперкомпьютеры потребляют наибольшее количество энергии не во время самих вычислительных процессов, а при внутренней передаче битов данных.

«В 2023 году Интернет поглотит всю производимую мировую энергию, если потребление энергии этими машинами вовремя не снизится».

«Чтобы обработать один бит, процессору требуется одна триллионная джоуля, – объясняет Бимберг. – Но если один бит передается на запоминающее устройство или на другой процессор, то для этого нужно в 10 раз больше энергии». Этот постоянный перенос цифровых данных потребляет очень большое количество энергии, а количество переносимых битов постоянно растет.

Устройство передачи данных фотонами

Передача данных через провода – самая простая, но энергетически невыгодная возможность. До 2005 года все компьютеры были оснащены электрическими проводами. Но с тех пор, по крайней мере, суперкомпьютеры превратились из электрических машин в оптические. «Сегодня в одном суперкомпьютере существует до 5 млн каналов передачи данных, которые связаны между собой посредством лазерного излучения», — рассказывает Бимберг.

На данный момент задача состоит в том, чтобы продолжать уменьшать потребление энергии для каждого передаваемого бита. Это требует новых технологий и еще больше оптических связей. В следующем поколении суперкомпьютеров уже должны функционировать миллиарды внутренних каналов передачи данных фотонами вместо электронов. Не стоит представлять это в виде неуправляемого хаоса. Передача данных от чипа к чипу может производиться через свободное пространство. Крошечные полупроводниковые лазеры, которые имеют диаметр меньше микрометра, объединяются с чипами напрямую. Они посылают свое излучение на соседние чипы, которые улавливают его с помощью полупроводниковых датчиков.

Будет ли компьютер будущего выполнять вычисления с помощью света?

Микрочипы появились благодаря важнейшему изобретению XX века — транзистору. Чипы, а также транзисторы находятся сейчас практически в каждом электрическом приборе. Не только в каждом компьютере и мобильном телефоне, но также и в стиральной машине, и телевизоре. Во всех приборах они отвечают за цифровую обработку данных. Без транзисторов не было бы Интернета.

Бимберг уверен, что в скором времени транзисторы будут выполнять также и вычисления. В то же время ученые работают над концептами, согласно которым электрический транзистор может быть заменен оптическим вариантом. Это было бы энергетически эффективнее. Итак, будет ли компьютер будущего выполнять вычисления с помощью света?

На пути к полностью оптическому транзистору физики из Института квантовой оптики общества Макса Планка в Гархинге сделали важный шаг. Команде профессора Герхарда Ремпе удалось управлять одним световым потоком с помощью другого, более маленького.

«Сегодня в одном суперкомпьютере существует до 5 млн каналов передачи данных, которые связаны между собой посредством лазерного излучения».

При этом было достаточно одной единственной частицы света – фотона, чтобы вызвать коммутационный процесс. Ученые наблюдали 20-кратное усиление вариаций сигналов однофотонного уровня, что вполне достаточно для практического применения. Элементарные функции транзистора усиливать сигналы и переключаться между двумя состояниями, могут реализовываться чисто оптически.

Суперкомпьютеры до сих пор функционируют только при условии хорошего охлаждения

Тем не менее, оптический компьютер является весьма отдаленной целью, так как оптические транзисторы до сих пор функционируют только при экстремально низких температурах. Экспериментальная установка Гархингских ученых требует температуры, близкой к абсолютному нулю (около -273° С). Это означает высокие расходы на охлаждение, что неприемлемо для технического использования.

Такая же проблема имеется и у так называемых квантовых компьютеров. Теоретически ученым понятно, как работают подобные суперкомпьютеры и что с их помощью можно было бы взломать любое криптографическое шифрование. Но при практическом применении ученые столкнулись со значительными трудностями. Одна из них – это система охлаждения. На данный момент все изготовленные в лаборатории квантовые мини-компьютеры нуждаются в экстремально низких рабочих температурах. Это значит, что появления квантового компьютера нам придется еще некоторое время подождать. Но использование квантовой криптографии, с помощью которой данные могут переноситься посредством света и не могут быть перехвачены, уже почти готово к внедрению в производство.

Квантовая телепортация от острова Тенерифе до острова Ла-Пальма

Физику Антону Цайлингеру, директору Венского института квантовой оптики и квантовой информации, еще в 2012 году удалось передать квантовое состояние двух запутанных фотонов между двумя Канарскими островами – Ла-Пальма и Тенерифе, расстояние между которыми превышает 143 километра.

С помощью данной технологии мог бы возникнуть безопасный Интернет. В этом случае передаваемая информация направлялась бы сначала к орбитальному спутнику, там она перенаправлялась бы от спутника к спутнику, пока световое излучение снова не пошлет ее к получателю на Землю.

Технически это можно осуществить. Это подтверждает европейский радарный спутник Sentinel-1A, который был запущен в 2014 году. Данные его измерений попадают с помощью лазерного излучения на геостационарный спутник связи и только оттуда передаются классическим путем на наземную станцию. Преимущество состоит в том, что спутнику не нужно ждать, когда он снова будет вблизи наземной станции, он может передавать данные постоянно – в режиме реального времени.

Цифровые данные в лампочках для чтения – благодаря светодиодам

Квантовый Интернет, защищенный от перехвата данных, пока еще является делом далекого будущего. Но уже сейчас существуют светодиоды, способные передавать данные. Они могут, подобно беспроводной локальной сети (WLAN), осуществлять связь мобильных терминалов с центральным сервером. Эта технология была бы идеальной для использования Интернета на борту пассажирского самолета. Данные будут как бы «вытекать» из лампочки для чтения каждого пассажира.

К наиболее поразительным исследовательским успехам прошлого года относятся эксперименты, при которых скорость света была сильно замедлена. Даже Эйнштейн не представлял это возможным.

Временное замедление света является важным аспектом для развития оптическим компьютеров. Так, сохраненные в световом излучении данные «промежуточно запоминаются» и используются для дальнейших вычислительных операций.

Через 100 лет после Теории относительности Эйнштейна

Основными свойствами света являются интерференция, поляризация, дифракция и дисперсия. Частицы света могут быть также замедлены и квантовомеханически запутаны друг с другом. И это только некоторые из многих свойств света, которые позволяют нам увидеть, что свет нужен не только для освещения. Отклонение лучей света в сильном гравитационном поле, которое предсказал Эйнштейн в 1915 году в Общей теории относительности, сегодня, спустя почти столетие, уже доказано.

Это, очевидно, сыграло большую роль при решении ООН объявить 2015 год Международным годом света. На церемонии открытия в Париже Джошуа Белл, лауреат премии Грэмми, исполнил на скрипке музыку из документального фильма Николаса Барриса «Свет Эйнштейна». Тем, кто заинтересовался этим фильмом, правда, придется набраться терпения. Свет данного фильма достигнет экранов кинотеатров лишь осенью.

Норберт Лосау, Die Welt

Перевод YA62.ru