Færre laserkilder i fiberkabler skal gøre Internettet grønnere

Illustration: Joachim Rode

Ved du hvad det egentlig koster i energi, når du streamer en film på dit smart tv eller uploader en stribe billeder på sociale medier via din smartphone over 4G-netværket?

Det ved de færreste, og derfor kommer det nok også som en overraskelse for de fleste at tæt på 10 procent af verdens elektricitet i dag bruges til strøm til internettet.

»Energiforbruget på internettet er enormt. Omkring ni procent af verdens elektricitet bruges i dag på kommunikation, hvor internettet er den primære kilde, og trafikken vokser med omkring 25 procent om året i gennemsnit. Hvis udviklingen fortsætter bruger vi den samme mængde elektricitet alene på internettet i 2040, som hele kloden bruger i dag. Jeg blev selv rystet da jeg så tallene første gang,« fortæller professor Leif Katsuo Oxenløwe, professor ved DTU Fotonik og leder af grundforskningscentret SPOC (Silicon Photonics for Optical Communications).

Han er også idémand bag det nye projekt INCOM, et treårigt forskningsprojekt til 100 mio. kroner, som er støttet af Innovationsfonden med 60 millioner kroner. Her skal forskere fra DTU, Aarhus Universitet og 12 danske virksomheder skabe nye løsninger til den næste generation af kommunikationsinfrastruktur.

Læs også: Trods løfter om grøn omstilling: Datacentre kommer til at fyre for fuglene

Internettet er en fysisk strømsluger

Langt hovedparten af datatrafikken på internettet bliver i dag sendt via fysiske kabler gravet godt ned under jorden og i havene. I dag findes der alene på verdenshavene 428 undersøiske kabler, der tilsammen udgør omkring 1,1 million kilometer kabel, ligesom der dagligt graves nye fiberkabler ned i den danske jord.

Kablerne er traditionelt ejet af teleoperatørerne, men Facebook, Google og Apple har de seneste år også investeret i nye kabler. Det er netop datatrafikken gennem disse kabler, som Leif Katsuo Oxenløwe vil gøre mere energi-effektiv.

»Det er nok de færreste, der ved, at alle de trådløse forbindelser, vi i dag bruger så flittigt, i virkeligheden kun er trådløse det første korte stykke vej. Herefter bæres trafikken i kablede optiske forbindelser på kryds og tværs gennem lande og under oceaner. Det er her, INCOM kommer ind i billedet, for verden har akut behov for at gøre de forbindelser stærkere og mere energi-effektive,« siger Leif Katsuo Oxenløwe.

I Danmark forventes det, at internettrafikken også kommer til at vokse dramatisk, blandt andet på grund af de seks kommende datacentre som teknologigiganterne Apple, Google og Facebook vil bygge i Esbjerg, Viborg, Odense, Aabenraa og Fredericia.

Læs også: Google offentliggør plan for Fredericia-datacenter: Overskudsvarmen er ikke med

Faktisk forventer Energistyrelsen, at datacentrene sluger 16 procent af det samlede danske elforbrug i 2030, og det tal vil vokse til 22 procent i 2040.

»Behovet for mere data er tilsyneladende uopslideligt. Bare tænk på nye begreber som Internet of Things, Industri 4.0, medicinsk diagnostik, selvkørende biler og cloud-services. Samtidig er der store områder af verden, hvor adgangen til internettet i dag er ret begrænset, og hvor trafikken også vil stige markant de kommende år, for eksempel hele Afrika og Indien. Så længe energi er billig, så vil internettet fortsætte med at vokse på samme energi-forbrugende måde som hidtil, og det er ikke holdbart i længden,« siger Leif Katsuo Oxenløwe.

Netop nu er der enormt fokus på de store datacentre og hvor meget strøm de store skove af servere sluger. Men i følge Leif Katsuo Oxenløwe er det ikke nok kun at optimere serverarkitekturen i de store datacentre.

»Der er ingen tvivl om, at det at switche data mellem servere i datacentre er en af de helt store energislugere, men vi skal også undersøge hvordan vi kan begrænse energiforbruget på de enkelte komponenter der sender trafikken rundt på internettet,« siger Leif Katsuo Oxenløve.

Læs også: Ny DTU-verdensrekord i datahastighed: 661 terabit igennem ét fiberkabel

Sådan slanger internettet sig under havet i 1,1 millioner kilometer kabler. Illustration: Submarine Cable Map

Færre laserkilder – mindre strømforbrug

Når data skal flyttes over internettet er det typisk via en optisk fiber, som bærer lysimpulser i det indre af fiberen.

I dag bruger man typisk mange lasere til at føde et fiberkabel med de databærende lysglimt. Og hver laser og andre aktive komponeter i netværket skal have strøm.

Leif Katsuo Oxenløwe og hans kolleger i Grundforskningscentret SPOC arbejder med at udvikle en såkaldt frekvenskam, der kan reducere antallet af lasere fra potentielt flere hundrede til bare en enkelt. Frekvenskammen gør det muligt at sende enorme datamængder med kun én laserkilde i stedet for hundredevis af laserkilder, der alle skal have strøm.

Det sker ved, at en særlig optisk chip breder lyset fra laseren spektralt ud i en frekvenskam. Hver tand i kammen udgør hver sin infrarøde farve, som data kan sendes af sted på, og dermed kan ét fiberkabel bære mange forskellige datasignaler.

»Vi slog verdensrekorden i datatransmission i 2016, hvor vi kunne sende 661 terabit pr. sekund med en laserkilde i et fiberkabel. Da rekorden blev sat svarede det til mere end det dobbelte af verdens samlede internettrafik.«

Rekorden blev opnået ved hjælp af en række specialdesignede komponenter fra bla. forskellige partnere fra industrien, og især en specialdesignet chip, som DTU-forskerne selv har udviklet af aluminium-gallium-arsenid, der forkortes AlGaAs. Materialet er yderst velegnet til at sprede signalet over mange infrarøde farver, og en multikernefiber fra den japanske elektronikgigant Fujikura.

Normalt er der kun én kerne, som kan lede lyset i et fiberkabel, men i forsøgskablet var der 30. Det er altså ikke standardudstyr, som teleoperatørerne bare kan hente fra hylden og grave ned i jorden.

Infrastrukturen skal omdefineres

»Vores verdensrekord blev sat i et laboratorium, og når vi nu skal udvikle en frekvenskam til kommercielle formål, så forventer vi ikke at kunne reducere antallet af lasere så voldsomt. Men hvis vi kan udvikle en løsning, der kan reducere brugen af lasere fra ti til én, så er et forsigtigt bud at man kan reducere energiforbruget i de optiske sendere med op mod 50 procent. INCOM-projektet handler blandt andet om at markedsudvikle nogle af de teknologier, vi har arbejdet med i vores grundforskning,« fortæller Leif Katsuo Oxenløwe.

Hvis de energibesparelser, som DTU-forskerne har påvist i laboratoriet skal realiseres i praksis, vil det kræve en større omlægning af den danske fiber-infrastruktur. Det vil blandt andet kræve, at man graver nye multikernefibre ned, som har kapaciteten til at bære de store mængder data.

Læs også: DTU-professor bag nyt grundforskningscenter: Det har været den helt store rutsjebanetur

»Vi kommer ikke til at kunne omlægge infrastrukturen på kort sigt. Det er simpelthen for dyrt. Men i takt med at vi udskifter fiberkabler bør man overveje ny teknologi. Frekvenskamme er bare én måde at udvikle et grønnere internet og gør det ikke alene. Vi kommer til at vænne os til at internettets infrastruktur skal indrettes på andre måder. Der forskes også i, hvordan vi kan lægge arkitekturen om, så vi får nye og anderledes knudepunkter i fibernettet,« siger Leif Katsuo Oxenløve.

Læs også: Den jyske vestkyst kan blive knudepunkt for internettet i Norden