Celoten diagnostični laboratorij na eni rezini silicija

Elektronske komunikacije pogosto opisujemo s poetičnimi izrazi. Podatki so shranjeni v računalniškem oblaku. Za elektronskimi očali se skriva virtualna resničnost. Na računalnikih in mobilnikih živijo spletne skupnosti in kibernetski svetovi. Vse to ne bi bilo mogoče brez zelo otipljive, a večinoma nevidne informacijske infrastrukture: optičnih vlaken, bakrenih kablov, anten in druge omrežne opreme.

V pogovoru z raziskovalcem in profesorjem na univerzi v Sydneyju Robertom Minasianom se je razkrila prav ta nevidna infrastruktura. Med predavanjem na ljubljanski fakulteti za elektrotehniko je predstavil novosti na področju brezžičnega prenosa signala, ki so ključne za razvoj širokopasovnih mobilnih omrežij nove generacije 5g. Njegova skupina razvija predvsem radijske in optične tehnologije (fotonika), brez katerih sodobne elektronske storitve ne bi dosegle uporabnikov.

Te storitve niso samoumevne, je pojasnil Minasian. Organizatorji olimpijskih iger v Tokiu leta 2020 so obljubili, da bodo športni spektakel posneli in predvajali v zelo visoki razločljivosti 8k. Operaterji bodo morali poiskati nove radijske frekvence in postaviti­ zmogljivejše bazne postaje, če bodo hoteli predvajati takšne televizijske prenose ali podpreti virtualno resničnost in spletni video na družabnih omrežjih. Najprej pa bodo morali raziskovalci in proizvajalci odpraviti nekatere največje omejitve sedanje komunikacijske infrastrukture. To ne bo samo tehnično, ampak tudi ekonomsko in politično vprašanje.

Letos so predavatelji na vseh velikih tehnoloških konferencah poudarili, da se bližamo skrajnim zmogljivostim tradicionalnih računalnikov in komunikacijskih omrežij. Je to marketinško pretiravanje ali realen opis stanja?

Za takšnimi dramatičnimi svarili so vedno tudi marketinški motivi, saj proizvajalci poskušajo prodati nove izdelke (nasmešek). Sedanja komunikacijska omrežja v praksi za zdaj dovolj dobro zdržijo povečan podatkovni promet, zato se nam v normalnih okoliščinah še ni treba bati večjih podatkovnih zastojev. Res pa lahko že danes predvidimo prihodnje težave, ki jih opazijo predvsem upravljavci hrbtenične internetne infrastrukture in podatkovnih skladišč. Tam morajo prenesti in obdelati toliko podatkov, da že občutijo fizikalne omejitve elektronike, na kateri temeljijo tradicionalno računalništvo in komunikacijske tehnologije.

Omejitve?

Vzemiva osebne računalnike. Najbrž ste opazili, da se je razvoj v zadnjih letih precej upočasnil, saj smo dosegli zgornjo mejo Moorovega zakona – napovedi soustanovitelja družbe Intel Gordona Moora, da se bo gostota tranzistorjev na integriranem vezju podvojila na približno dve leti. Moorov zakon je kar dobro opisal razvoj osebnega računalništva, saj se je zmogljivost računalnikov v povprečju res podvojila na vsaki dve leti. Toda kmalu ne bomo več mogli povečati zmogljivosti računalnikov s povečanjem gostote tranzistorjev ali dvigom delovnega takta, ker bi imeli preveč težav s porabo energije in vročino. To težavo so računalniški inženirji nekoliko omilili z dodajanjem novih procesorskih jeder, ki lahko skupaj kljub nespremenjeni hitrosti delovanja obdelajo precej več informacij. Dodaten problem je hitrost, s katero se gibljejo elektroni med procesorjem in drugimi deli računalnika. Procesor lahko izračuna več podatkov, kot jih lahko pošljemo po kovinskih nožicah, s katerimi so procesorji pritrjeni na matično ploščo. Zato morajo računalniški inženirji iskati nove rešitve.

Je takšna rešitev kvantni računalnik?

Kvantno računalništvo prinaša čisto nov pogled na računske stroje, saj bomo namesto elektronike in dvojiške logike uporabljali kvantna stanja. Kvantno računalništvo bo morda nekoč popolnoma nadomestilo konvencionalno računalništvo, vendar smo od tega cilja še zelo oddaljeni. Kvantna stanja so zelo nestabilna, pri računanju nastaja ogromno napak in tudi programiranje v kvantnih stanjih je še zelo na začetku. Možnosti so zagotovo velike, še zlasti na področju kvantne kriptografije in modeliranja molekul, ampak sam zagotovo ne bi odpisal konvencionalnega računalništva. Zagovorniki radikalnih odločitev za samo eno ali samo drugo tehnologijo me doslej niso prepričali. Precej bližji mi je hibridni pristop, pri katerem za vsako nalogo izberemo najprimernejšo tehnologijo in jo povežemo v učinkovit sistem. Prav to poskušamo doseči z uporabo fotonike pri načrtovanju novih računalniških procesorjev. Osnovna procesorska tehnologija ostaja združljiva z elektronskimi vezji, le namesto elektronov uporabljamo svetlobo.

Podobno kot v optičnih omrežjih?

Zelo podobno. Svetlobna tehnologija lahko deluje pri veliko večjih hitrostih in frekvencah kot elektronika. Frekvenca svetlobe je približno 190 terahercev, elektroniko smo z veliko truda pognali do gigahercev. Ta razlika omogoča za nekaj velikostnih redov višje hitrosti prenosa podatkov, saj ima svetloba v primerjavi z elektroni velikansko pasovno širino, kar že izkoriščamo pri širokopasovnih optičnih omrežjih. V moji raziskovalni skupini se ukvarjamo z integrirano fotoniko, kar pomeni, da poskušamo vse gradnike optičnega omrežja – laser, modulator, optična vlakna, ojačevalnike signalov in druge komponente – integrirati na silicijevem čipu.

In postaviti optično omrežje na čipu?

Tako je. Na silicijev čip znamo integrirati tudi po več milijard tranzistorjev, a doslej nismo znali voditi in procesirati svetlobe na enak način, da bi izdelali svetlobni čip. Integrirana fotonika je trenutno zelo vroča tehnologija, saj združuje najboljše iz obeh svetov: fotonike in elektronike. Elektronika je odlična za izvajanje logičnih operacij, svetloba pa je najprimernejši medij za prenašanje velikih količin podatkov. Zato se zanjo odločijo vsi največji izdelovalci polprevodnikov – Intel, IBM in drugi –, ki bodo lahko za proizvodnjo svetlobnih čipov prilagodili svoje sedanje tovarne. Svetlobni čipi so namreč združljivi z drugimi elektronskimi vezji in procesorji, kar je njihova velika prednost, saj proizvajalcem ne bo treba takoj graditi novih tovarn.

Katero bo naslednje ozko grlo za prenašanje velikih količin podatkov? Brezžični prenos?

Pri načrtovanju podatkovnih omrežij velja zelo preprosto pravilo najšibkejšega člena. Po optičnih omrežjih lahko prenašamo teoretično skoraj neomejeno količino podatkov. Ampak je treba te podatke tudi shranjevati, poiskati, razvrstiti, obdelati, procesirati, včasih zakodirati, poslati v anteno in jih prebrati. Vse tehnologije morajo delovati vsaj približno enako dobro, če hočemo zares povečati prepustnost celotnega omrežja. V začetku letošnjega leta sem poslušal predstavitev podjetja Ericsson, na kateri so zagotovili, da bo peta generacija mobilnih omrežij 5g pripravljena do leta 2020. Najbrž so se za to letnico odločili zaradi olimpijskih iger v Tokiu, ki jih bodo organizatorji snemali in prenašali v zelo visoki razločljivosti. Takšen dogodek je za operaterje in ponudnike telekomunikacijske opreme zelo pomemben, saj imajo možnost prikazati zmogljivosti novih naprav. Ampak menim, da bodo imeli največ težav prav s prenašanjem podatkov po brezžičnem omrežju, saj imajo radijski valovi kar nekaj resnih omejitev. Zato utegne brezžični prenos res postati novo ozko grlo za pretakanje podatkov.

Kakšne so te omejitve?

Če bodo hoteli operaterji mobilnih komunikacij slediti potrebam medijske in internetne industrije, bodo morali bistveno povečati podatkovne zmogljivosti omrežja. To lahko storijo z uporabo višjih frekvenc, saj je pasovna širina in z njo hitrost prenosa podatkov tudi pri radijskih signalih zelo odvisna od frekvence. Toda vsako povišanje frekvenc prinese določene težave – podobno kot pri procesorjih. Višje frekvence sicer prenesejo veliko več podatkov, a so bolj občutljive na atmosferske motnje in odboje, imajo krajši doseg in ne morejo prebiti zidov. Med prenosom nastane veliko več napak, ki jih je treba odpraviti s kompleksnimi izračuni in povečano porabo procesorske moči. Bazne postaje morajo biti veliko bolj usmerjene, kar povzroča velike težave, kadar se uporabnik giblje, denimo, v avtu ali vlaku. Antene bi morale slediti vsakemu posamičnemu uporabniku, kar je v praksi zelo težko doseči. Poleg tehničnih je treba pri radijskih komunikacijah upoštevati tudi birokratske ovire.

Zaradi državnega podeljevanja frekvenc?

Frekvenčni prostor za omrežja 4g je že skoraj popolnoma zasičen, zato ponudniki ne bodo mogli več dolgo pridobivati novih frekvenc. Veliko uporabnega frekvenčnega spektra zasedajo državne ustanove, vojska in mediji. Zato operaterji tudi na tem področju ne bodo mogli staviti samo na eno tehnologijo, temveč se bodo morali odločiti za hibridni pristop. Na srečo znajo osebne mobilne naprave – pametni mobilniki in tablice – sprejemati podatke tudi na druge načine, ne samo po radijskih valovih. V zadnjem času smo v pisarnah veliko preizkušali infrardeče sisteme za prenos podatkov, kjer prenaša podatke našim očem nevidna svetloba. V tem primeru nismo potrebovali kablov in anten, rezultati pa so bili zelo spodbudni. Brez večjih težav smo dosegli tudi po več sto megabitov pasovne širine.

Je mogoče pokriti notranjost stavbe z dovolj oddajniki infrardeče svetlobe, da dosežejo vse uporabnike? Naprave morajo najbrž biti v vidnem polju oddajnika?

Ne, ker nismo uporabili običajnih oddajnikov infrardeče svetlobe, ampak nekaj drugega. Poskusite uganiti: kaj potrebuje vsaka pisarna in oddaja svetlobo?

Luči?

Da, ampak ne običajnih luči.

Svetleče diode (led)?

Te diode imajo številne uporabne lastnosti. Ne le da jim lahko zelo natančno določimo jakost in barvno temperaturo, ampak jih je mogoče tudi programirati, da poleg vidne svetlobe oddajajo še skrit podatkovni tok. Ta rešitev je zelo elegantna, saj vsaka pisarna potrebuje osvetlitev in ima že nameščeno vso potrebno infrastrukturo. Uporabniki vidijo samo običajno svetlobo, njihove elektronske naprave pa z vgrajenimi tipali sprejemajo podatke. Takšna rešitev je zelo primerna za prenos podatkov po zaprtih prostorih, kadar jih ne moremo pokriti z radijskim signalom.

Kako realne so napovedi nekaterih velikih tehnoloških podjetij, da bodo sama poskrbela za dostop do interneta in se znebila odvisnosti od telekomov? V Virginu in Tesli razmišljajo o mikrosatelitih, v Googlu in Facebooku preizkušajo brezpilotne letalnike, cepeline in laserske tehnologije …

Nihče ne ve, kaj vse preizkušajo ta podjetja v zasebnih laboratorijih, zato težko ugibam, kako realne so njihove napovedi. Imajo pa takšne pobude kar dolgo zgodovino, saj so pred leti tudi v Microsoftu porabili precej denarja za projekte, povezane s satelitskim internetom. Zelo dobro razumem željo tehnoloških podjetij po neposrednem dostopu do uporabnikov, ampak njihovi poskusi doslej niso bili uspešni. Sateliti ne bodo mogli nikoli tekmovati s sedanjimi optičnimi in brezžičnimi omrežji, ker je preveč tehničnih omejitev. Spremembe v atmosferi so velik problem pri zagotavljanju hitrega in zanesljivega prenosa podatkov. To lahko opazite že takrat, ko se pogovarjate s sogovornikom na drugem koncu sveta in v slušalki zaslišite odmeve. To največkrat pomeni, da se pogovarjate prek satelitske povezave.

Torej odmevi v telefonski slušalki ne pomenijo, da vam prisluškujejo, kar včasih zaskrbi teoretike zarote?

Če nekdo prisluškuje digitalnim komunikacijam, tega ne morete slišati (nasmešek). Kadar slišite odmev ali zakasnitve, so skoraj vedno krive motnje na zvezah. Pri satelitskih povezavah so zelo pogoste, zato sateliti še dolgo ne bodo ustrezna zamenjava za zemeljske optične kable. Sateliti so zanimivi za velika in redko poseljena območja, ki nimajo velikih komunikacijskih potreb. Niso pa primerni za pokrivanje gosto poseljenih urbanih območij.

Sta za vaše naročnike pomembni predvsem hitrost in zanesljivost prenosa podatkov ali jih zanima tudi varnost? Jo je v današnjih kompleksnih komunikacijskih omrežjih sploh mogoče zagotoviti?

Na področju radijskih tehnologij največ sodelujemo z vojsko, saj jim pomagamo razvijati nove radarje, sonarje, mikrovalovne in satelitske povezave. Takšni naročniki se zelo dobro zavedajo omejitev klasičnih kriptografskih metod, saj bo mogoče s kvantnimi računalniki sproti zlomiti vse zaščite, ki jih danes uporabljamo pri šifriranju komunikacij, elektronskem poslovanju in drugih elektronskih storitvah. Edina rešitev bo uporaba kvantne kriptografije, pri kateri je treba ustvarjati in usmerjati posamične svetlobne delce (fotoni), kar je tehnično zapleteno in še daleč od množične komercialne uporabe. Vojska bo znala zavarovati svoje komunikacije, na internetu pa bo še naprej vse vidno – vsaj dokler bodo ljudje sami objavljali vse zasebne podatke. Nikogar ni mogoče zavarovati pred samim sabo. Če resničnostna zvezdnica Kim Kardashian objavlja selfije in pozira z milijon dolarjev vrednim nakitom, kar sama vabi, da jo oropajo. To se ji je letos zgodilo v Parizu, ko jo je v hotelu pričakal oborožen ropar.

Koga – poleg vojske in mobilnih operaterjev – še zanimajo vaše raziskave? Med referencami vašega laboratorija omenjate tudi mednarodni konzorcij SKA, ki gradi velik radijski teleskop v Avstraliji in Južni Afriki.

V vojaških projektih smo pridobili veliko izkušenj pri filtriranju in obdelavi signala v skrajnih vremenskih in drugih okoliščinah. To znanje je zelo koristno tudi za radijsko astronomijo. V konzorciju SKA hočejo zgraditi radijski teleskop, ki bo petdesetkrat bolj občutljiv od drugih sorodnih naprav in je vreden dobri dve milijardi evrov. Z njim bo mogoče dobesedno pogledati v preteklost, saj bodo astronomi lovili signale iz vesolja, ki so nastali kmalu po velikem poku. Če bodo hoteli iz vsega vesoljskega šuma morda izluščiti kak odmev velikega poka, bo filtriranje šuma zelo pomembno. Poleg tega fotonika vstopa tudi v medicino. Ugotovili smo, da lahko z nekaterimi valovnimi dolžinami svetlobe ugotavljamo biološke procese – da je mogoče s svetlobo analizirati izdihan zrak in zelo zgodaj zaznati nekatere bolezni.

Katere?

Pokazali smo, da določene molekule v izdihani sapi kažejo na diabetes. To smo ugotovili tudi o čiru na želodcu, ki prav tako spremeni kemijsko strukturo vašega diha. Analiza izdihanega zraka je potencialno veliko bolj zanesljiva in prijazna od sedanjih diagnostičnih metod. Verjamem, da bo marsikateri pacient zelo vesel, če se bo lahko izognil endoskopu in nekaterim drugim neprijetnim pregledom. Prepričan sem, da bodo svetlobni čipi nekoč omogočali postavitev celotnega diagnostičnega laboratorija na eni rezini silicija, ki ga bo lahko uporabljal vsak zdravnik ali laik. Morda se sliši izrabljeno, ampak možnosti takšnega laboratorija so res neskončne.