تطوير تقنيات نقل وسرعة البيانات
اسرع من USB3.0 بعشرة اضعاف
طور الباحثون نظامًا لنقل البيانات يمكنه نقل المعلومات أسرع 10 مرات من USB. يجمع الرابط الجديد بين رقائق السيليكون عالية التردد وكابل بوليمر رقيق مثل خصلة من الشعر. قد يعزز النظام يومًا ما كفاءة الطاقة في مراكز البيانات ويخفف حمولات المركبات الفضائية الغنية بالإلكترونيات.
تم تقديم البحث في مؤتمر IEEE الدولي لدوائر الحالة الصلبة لهذا الشهر. المؤلف الرئيسي هو Jack Holloway '03، MNG '04 ، الذي أكمل درجة الدكتوراه في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر (EECS) بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الخريف الماضي ويعمل حاليًا في شركة Raytheon. المؤلفون المشاركون هم Ruonan Han ، الأستاذ المساعد ومستشار الدكتوراه في هولواي في EECS ، وجورجيوس دوجياميس ، كبير الباحثين في Intel.
طور الباحثون نظامًا لنقل البيانات يجمع بين رقائق السيليكون عالية التردد وكابل بوليمر كخيط رفيع من الشعر.
إن الحاجة إلى تبادل سريع للبيانات واضحة ، خاصة في عصر العمل عن بُعد. هناك اختناق ناتج عن كمية المعلومات التي يتم مشاركتها بين اجهزة الكمبيوتر - و مستضيفات الملفات السحابية والإنترنت. ويحدث الكثير من هذا عبر الأسلاك النحاسية التقليدية ، كما يقول هولواي. لكن الأسلاك النحاسية ، مثل تلك الموجودة في كبلات USB أو HDMI ، تحتاج إلى طاقة - خاصة عند التعامل مع أحمال بيانات ثقيلة. "هناك مقايضة أساسية بين كمية الطاقة المحروقة ومعدل تبادل المعلومات." على الرغم من الطلب المتزايد على سرعة نقل البيانات (أكثر من 100 جيجابت في الثانية) من خلال قنوات أطول من متر ، يقول هولواي إن الحل النموذجي كان "الكابلات النحاسية الضخمة والمكلفة بشكل متزايد".
أحد البدائل للأسلاك النحاسية هو كابل الألياف الضوئية ، على الرغم من أن له مشاكله الخاصة. بينما تستخدم الأسلاك النحاسية الإشارات الكهربائية ، تستخدم الألياف الضوئية الفوتونات. يسمح ذلك للألياف الضوئية بنقل البيانات بسرعة وبتبديد ضئيل للطاقة. لكن رقائق الكمبيوتر المصنوعة من السيليكون بشكل عام لا تعمل بشكل جيد مع الفوتونات ، مما يجعل الترابط بين كبلات الألياف الضوئية وأجهزة الكمبيوتر تحديًا. يقول هولواي: "لا توجد حاليًا طريقة لتوليد أو تضخيم أو اكتشاف الفوتونات بكفاءة في السيليكون". "هناك جميع أنواع مخططات التكامل الباهظة الثمن والمعقدة ، ولكن من منظور اقتصادي ، هذا ليس حلاً رائعًا." لذلك ، طور الباحثون أنفسهم.
يعتمد الرابط الجديد للفريق على فوائد كل من أنابيب النحاس والألياف الضوئية مع التخلص من عيوبها. يقول دوجياميس: "إنه مثال رائع للحل التكميلي". إن مجاريها مصنوعة من البوليمر البلاستيكي ، لذا فهي أخف وزناً ومن المحتمل أن تكون أرخص في التصنيع من الكابلات النحاسية التقليدية. ولكن عندما يتم تشغيل رابط البوليمر بإشارات كهرومغناطيسية فرعية تيراهيرتز ، فإنه يكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من النحاس في نقل حمولة بيانات عالية. تتنافس كفاءة الرابط الجديد مع كفاءة الألياف الضوئية ، ولكن لها ميزة رئيسية: "إنها متوافقة مباشرة مع رقائق السيليكون ، دون أي تصنيع خاص" ، كما يقول هولواي.
صمم الفريق مثل هذه الرقائق منخفضة التكلفة لتتوافق مع قناة البوليمر. عادة ، تكافح رقائق السيليكون للعمل بترددات تيراهيرتز الفرعية. ومع ذلك ، تولد رقائق الفريق الجديدة تلك الإشارات عالية التردد مع طاقة كافية لنقل البيانات مباشرة إلى القناة. يقول الباحثون إن هذا الاتصال النظيف من رقائق السيليكون إلى القناة يعني أنه يمكن تصنيع النظام العام بأساليب قياسية وفعالة من حيث التكلفة.
يتفوق الرابط الجديد أيضًا على النحاس من حيث الحجم. يقول هان: "تبلغ مساحة المقطع العرضي للكابل الخاص بنا 0.4 ملم في ربع ملليمتر". "لذا ، فهي صغيرة جدًا ، مثل خصلة من الشعر." على الرغم من حجمه النحيف ، إلا أنه يمكن أن يحمل حمولة ضخمة من البيانات ، لأنه يرسل إشارات عبر ثلاث قنوات متوازية مختلفة ، مفصولة بالتردد. يبلغ إجمالي عرض النطاق الترددي للرابط 105 جيجابت في الثانية ، وهو ما يقرب من ترتيب من حيث الحجم أسرع من كبل USB النحاسي. يقول دوجياميس إن الكابل يمكنه "معالجة تحديات النطاق الترددي لأننا نرى هذا الاتجاه الهائل نحو المزيد والمزيد من البيانات."
في العمل المستقبلي ، يأمل هان في جعل قنوات البوليمر أسرع من خلال تجميعها معًا. يقول: "عندئذٍ سيكون معدل البيانات خارج المخططات". "يمكن أن يكون تيرابايتًا واحدًا في الثانية ، وبتكلفة منخفضة."
يقترح الباحثون أن التطبيقات "كثيفة البيانات" ، مثل مجمع السيرفرات ، يمكن أن تكون من أوائل المتبنين للروابط الجديدة لأنها يمكن أن تقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة العالية لمراكز البيانات. يمكن أن يكون الرابط أيضًا حلاً رئيسيًا لصناعات الطيران والسيارات ، والتي تضع علاوة على الأجهزة الصغيرة والخفيفة. وفي يوم من الأيام ، يمكن أن يحل الرابط محل الكابلات الإلكترونية الاستهلاكية في المنازل والمكاتب ، وذلك بفضل بساطة الرابط وسرعته. يقول هولواي: "إنها أقل تكلفة بكثير من مقاربات [النحاس أو الألياف البصرية] ، مع عرض نطاق أوسع بشكل ملحوظ وخسارة أقل من حلول النحاس التقليدية". "لذا ، أعالي الخمسات في كل مكان."
يمكننا أن نفعل ما هو أفضل ، كما يقول جريجوري لافلين ، أستاذ علم الفلك في كلية الآداب والعلوم بجامعة ييل. يقول لافلين أنه يمكننا جعل الإنترنت أسرع 10 مرات على الأقل - ربما أسرع 100 مرة - في الولايات المتحدة.
سرعة الانترنت
عاملين رئيسيين يعوقان الإنترنت.
اولا : التضاريس و فوضى الانحناءات و الاعوجاج لقطع المسار من خلال وسط التوصيل
ثانيًا : بيانات الإنترنت هي نبضات ضوئية تنتقل عبر كابل الالياف الضوئية ولكن لا بد له ان يمر من خلال الوسط الزجاجي ؛ لهذا يتحرك الضوء بشكل أبطأ عندما ينتقل عبر الزجاج.
لذلك قدم الباحثون دراسة تطوير تراسل بينات الشبكة العنكبوتية عبر أبراج الإرسال اللاسلكي بالموجات الدقيقة وذلك للسماح لإشارات الإنترنت بالانتقال في خط مستقيم ، عبر الهواء ، وتسريع الإنترنت.
في ندوة USENIX 19 حول تصميم وتنفيذ الأنظمة الشبكية ، اكتشف الباحثون العاملون في مجال تطوير الشبكات ان الميكروويف أسرع بشكل موثوق من شبكات الألياف - حتى في الطقس العاصف - وأن القيمة الاقتصادية لشبكات الميكروويف من شأنها أن تجعل هذا المشروع في انفاق ورصد ميزانية له.
جريجوري لافلين: كنت مهتمًا بالمشكلة الاقتصادية المتمثلة في مكان حدوث "تكوين الأسعار" في الأسواق المالية الأمريكية. يتطلب ذلك تجميع البيانات وربطها ببعضها البعض من الأسواق المختلفة ، على سبيل المثال أسواق العقود الآجلة في منطقة مترو شيكاغو وأسواق الأوراق المالية في منطقة مترو نيويورك. عندما بدأت العمل على المشكلة [في عام 2008] ، كان من الواضح أنه حتى عندما يكون هناك دافع قوي لخفض وقت الاستجابة قدر الإمكان بين المواقع المتباينة ، فإن البنية التحتية المادية للاتصالات السلكية واللاسلكية لا تزال تفرض قيودًا تمنع إرسال الإشارات بسرعات تقترب من سرعة خفيفة.
غالبًا ما يكون النطاق الترددي هو الشاغل الأساسي في دراسات الهيكل المادي للإنترنت ، حيث يكون القلق هو مقدار المعلومات التي يمكن للفرد إرسالها في الثانية على خط معين. ركزت الأعمال الأخرى المتعلقة بزمن الانتقال على الأفكار المتعلقة بالتعيين المسبق للمعلومات ، وهي الفكرة الكامنة وراء شبكات توصيل المحتوى.
يقول احد الباحثين : شيء واحد ، معروف جدًا ، لكنه لا يتوقف عن إدهاشي ، هو الكم الهائل من المعلومات التي يمكن حملها على الألياف الضوئية. من خلال إرسال الضوء بنطاقات ألوان مختلفة في وقت واحد ، أصبحت الألياف الزجاجية متعددة النواة الفردية عالية التخصص قادرة الآن على حمل مئات تيرابتات من البيانات في الثانية. حدثت تجربتي التكوينية على الإنترنت في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات ، ولذا يبدو أن اتصال Wifi الحالي بمكتب ييل الخاص بي يبدو سريعًا حقًا. لكن من المذهل أن ندرك أن ليفًا واحدًا يمكنه الآن نقل البيانات بمعدل يتجاوز اتصال مكتبي بأكثر من مليون عامل. لذلك كان من المدهش أن ندرك أنه مع البنية التحتية المختلطة المناسبة ، يمكن أن يكون الإنترنت سريعًا للغاية وقادرًا على حمل كميات هائلة من البيانات.
نقل البيانات بالوسط الهجين
على الرغم من أن تراكب أبراج الإرسال اللاسلكي بالميكروويف لن يوفر سوى زيادة ضئيلة للغاية ، على ما يبدو ، في عرض النطاق الترددي للإنترنت في الولايات المتحدة ، إلا أن التراكب يمكنه التعامل مع جزء مهم من الطلبات الأصغر والأكثر حساسية للكمون. يرتبط هذا النوع من الحركة بالإجراءات التي تنشئ اتصالاً بين موقعين ، والتي تتضمن الكثير من عمليات الإرسال ذهابًا وإيابًا التي يبلغ حجم كل منها عددًا صغيرًا من البايتات. من خلال تسريع هذه المهام واتخاذ أكثر الطرق المباشرة فعليًا ، يمكننا الحصول على زيادة من 10 إلى 100 في حركة المرور في الأماكن الأكثر أهمية. من ناحية أخرى ، بالنسبة لتطبيقات مثل تدفق الفيديو ، حيث يمكن تخزين المعلومات مؤقتًا ، لا يلزم استخدام أبراج الميكروويف. الألياف هي السبيل للذهاب إذا كان لديك كتل كبيرة من البيانات التي تحتاج إلى نقل البيانات ذات الاحجام الكبيرة .