Hardware, It og samfund

Lyslederen

Professor Leif Katsuo Oxenløwe står i spidsen for en forskningsgruppe på DTU, der hele tiden flytter grænserne for, hvor meget data man kan sende på en optisk chip. Det handler kort fortalt om at bruge lys til at sende information. Og det er ikke bare hurtigt. Det er også bæredygtigt.

På væggen i Leif Katsuo Oxenløwes kontor i SPOC-centret på DTU hænger diplomet for EU’s Horizon Prize, som professoren i optisk kommunikation vandt sammen med sin forskningsgruppe i 2016.

– Vi vandt prisen, fordi vi havde sendt 661 terabit data per sekund igennem en enkelt optisk fiber, fortæller han.

På det tidspunkt udgjorde 600 terabit det dobbelte af jordens samlede internettrafik per sekund, og al den data kunne sendes på lyset fra én lille, men meget kraftfuld laserchip. Og nu, fem år senere, har Leif Katsuo Oxenløwes hold lige slået deres egen rekord og krydset petabit-grænsen.

– Nu er vi oppe på 1,8 petabit per sekund, og vi satser på at kunne demonstrere teknologier i 2025, der vil kunne bære 100 petabit. Det, tror jeg, er helt realistisk, siger professoren.

Forsøgene med at sende data på optiske fibre handler ikke bare om at optimere måden at sende data på. Ifølge Leif Katsuo Oxenløwe udgør teknologien også det bæredygtige element, der skal tage over, når optimeringen af verdens datacentre når deres fysiske grænser.

Kun ved hele tiden at finde på nye måder at optimere internettrafikken på, kan digital teknologi fortsat være med til at løse verdens klimaproblemer i stedet for at medvirke til at gøre dem værre, mener professoren.

Leif Katsuo Oxenløwes team har netop sat en skelsættende datarekord. Foto: Magnus Møller.

Leif den lykkelige

Leif Katsuo Oxenløwe er opvokset i Hundested. Han er søn af en japansk mor og en dansk far, der gav ham navnet, som viste sig at have en vis forudsigelse indbygget. Katsuo betyder sejrrig eller lykkelig på japansk, og sammensat med fornavnet Leif har vi navnet på den opdagelsesrejsende viking, der i sin tid opdagede Grønland.

Da jeg startede på universitetet, havde jeg et meget, meget stærkt behov for at forstå universet

Leif Katsuo Oxenløwe har også vist sig at være en slags opdagelsesrejsende. Hans kortlægning tager bare udgangspunkt i fysik. Da han som lille mistede sin mor til kræft, blev han meget optaget af astronomi og af at kigge på stjernehimlen om aftenen. Han var i skolepraktik på Brorfelde Observatorium – senere kendt fra DR’s julekalender ’Julestjerner’ – og interessen fik ham som ung mand til at søge ind på fysikstudiet på Københavns Universitet.

– Jeg havde et meget, meget stærkt behov for at forstå universet. Jeg havde behov for at forstå, hvor vi kommer fra, og hvad jeg er her for, fortæller professoren.

En lang horisont

Fysikstudiet førte ham gradvist væk fra astronomien, og han endte med at specialisere sig i optisk kommunikation – et forskningsområde, der i 1990'erne stadig mest handlede om at skabe større kapacitet på telekommunikationsnetværkene. Men gennem årene har området udviklet sig til at handle mere om nettets data og senest at indebære et væsentligt element af bæredygtighed.

Et kig ind i laboratoriet på DTU, hvor de optiske chips konstant bliver forbedret. Foto: Magnus Møller

Bæredygtighed var endnu ikke øverst på dagsordenen, da Leif Katsuo Oxenløwe sammen med sit forskningshold i 2014 formulerede grundsætningen for, hvad de ville forske i, da de sendte deres ansøgning til Danmarks Grundforskningsfond.

– Det skulle være noget, der havde en lang horisont og var et fundamentalt spørgsmål. Og vi tænkte: Hvad kan optik, som elektronik ikke kan, fortæller han.

Han kendte allerede lidt af svaret.

– Vi skal ikke konkurrere med elektronik eller erstatte det, men vi skal gøre det, elektronikken ikke kan. Og noget af det, man kan i optik, er at tage så mange farver af laserlys med data på, som kan være i en enkelt fiber, og så signalbehandle dem allesammen optisk på én gang. Det kan du ikke elektronisk, forklarer han.

Internettet i dag bidrager allerede med at reducere sin egen vægt halvanden gang i CO2

Da grundforskningscentret Silicon Photonics for Optical Communication blev etableret, lå fokus først og fremmest på funktionalitet. Det ekstra element med bæredygtighed kom til hen ad vejen.

– På et tidspunkt begyndte der at komme nogle rapporter om, hvor meget CO2 og energi internettet bruger. Allerede dengang sagde man, at omkring to procent af verdens samlede menneskeskabte CO2-udledning kom fra internettet. Det var lige så meget som flyindustrien, fastslår Leif Katsuo Oxenløwe.

Foto: Magnus Møller

Da SPOC-centrets første forsøg beviste, hvor meget data man kan sende på bare en enkelt optisk chip, blev det hurtigt klart, at brugen af optiske værktøjer frem for elektroniske også var en oplagt måde at spare energi på.

– Vi kunne se, at der var en lavenergivej, der var interessant, og som er blevet mere og mere dominerende i vores forskning, efterhånden som klimaet har råbt højere og højere, fortæller professoren.

I dag er SPOC-centrets erklærede forskningsmål blevet omformuleret til også at indeholde det bæredygtige element.

– Vores erklærede hovedmål er at udvikle teknologier, der kan bidrage med meget højere kapacitet end systemerne i dag til et meget lavere energiforbrug, siger han.

Det er elementært

For at forstå præcis, hvad det er, lys kan inden for optisk kommunikation, skal man kunne lidt atomfysik. Et atom har forskellige energiniveauer. Når de ændrer sig og går fra et højt energiniveau til et lavt, så udsender de energi i form af lys.

I 1960 opdagede forskere, hvordan man kan skabe og koncentrere det lys til en skarp stråle. Det fik navnet laserlys. Siden har man udnyttet laserlysets klarhed og skarphed på en lang række områder.

For eksempel bruger kirurger i dag laserlys til operationer, håndværkere skærer i metal eller bruger strålen, når de skal opmåle et rum helt præcist. Man bruger laserlys til at afspille musik eller film på discs, og i supermarkedet scanner de stregkoder med det.

Laserlys er blevet hvermandseje, men der bliver stadig forsket i brugen af det, fordi lyset også er godt til at undersøge stof med.

SPOC-grundforskningscentret på DTU har indtil videre fået midler til et 10-årigt projekt i perioden 2015 til 2025, hvor de med Leif Katsuo Oxenløve skal undersøge og forbedre laserlysets evne til at transportere data.

Fiber på havbunden

Langt nede under havbunden i verdenshavene strækker de optiske fibre sig allerede fra verdensdel til verdensdel for at lede data. Det, Leif Katsuo Oxenløwe arbejder med, er at få mere og mere data igennem de optiske fibre og udnytte det enorme potentiale i optiske chips til at understøtte det.

Fordelen ved laserlys er, at forskelligfarvede stråler ikke blander sig med hinanden. Derfor kan man sende meget mere data igennem en optisk fiber end et elektrisk kabel.

– Det gode ved at bruge lys til at transportere information er, at du kan lave glasfibre, hvor tabet er så lille, at du kan transportere det 100 kilometer, inden du bliver nødt til at forstærke signalet, og så kan du sende det videre 100 kilometer igen. På den måde kan du komme kloden rundt, fortæller Leif Katsuo Oxenløwe.

Helt specifikt arbejder holdet med at skabe en frekvenskam, som skal rumme færre lasere end nu – helt optimalt blot en enkelt, men som stadig skal kunne sende enorme mængder data.

Fordi man skal bruge væsentlig mindre energi som konsekvens af reduktionen af fiberantallet, vil det gøre nettet mere bæredygtigt.

Det store regnestykke

Klimaproblemerne ved internettets energiforbrug kan udregnes på flere måder. Leif Katsuo Oxenløwe regner med tallene fra den store cyklus, hvor alle led i kæden tæller med.

– I dag bliver mellem fem og otte procent af verdens samlede elektricitetsproduktion brugt på kommunikation. Det vil sige kommunikation i bred forstand, som også indeholder den energi, der blandt andet bruges på at bygge et datacenter og bygge en laser, forklarer han.

Derfor plejer man at sige, at internettet både er en del af løsningen og problemet, når det kommer til klimakrisen. Men sådan ser professoren ikke på det.

Foto: Magnus Møller

For teknologier som IoT og Big Data gør, at brugen af internettet i øjeblikket sparer mere CO2, end det bruger. Men det er et regnestykke, der vil vippe til den forkerte side af vægten om tre-fire år, når de nuværende optimeringer af nettet når deres fysiske grænser. De værktøjer, der hidtil har hjulpet på regnestykket, er optimeringen af elektroniske chips og siden hen optimeringen af datacentrenes energiforbrug.

– Vi vil gerne have mere internet, fordi det kan bruges til at reducere vores energiforbrug på alle mulige måder, men vi kan ikke regne med at udvide internettet på samme måde, som vi har gjort de sidste 50 år med elektronikkens hjælp. Der er en fundamental grænse for, hvor effektivt det kan blive. Så lige om lidt, når vi har fået optimeret alle køleanlæggene på datacentrene, begynder vi nok at se en stigning i energiniveauet på internettet, fordi vores teknologi ikke bliver mere energieffektiv, forudser professoren.

Reduceret vægt

I de sidste 50 år er mængden af data vokset enormt – i de seneste 10-15 år med 20 procent om året. Men fordi der samtidig har været en 20 procents energiforbedring takket være bedre og bedre digitale teknologier, er regnestykket gået op.

– Internettrafikken vokser konstant, så vi skal hele tiden være på forkant og se, hvad vi skal udvikle for at kunne opretholde væksten. Det er ikke bare vækst for vækstens skyld, men fordi vi kan se, at internettet virkeligt er nyttigt. Internettet i dag bidrager allerede med at reducere sin egen vægt halvanden gang i CO2, forklarer Leif Katsuo Oxenløwe.

Og det er her, resultaterne fra grundforskningscenter SPOC gerne skulle levere et løsningsforslag til, hvordan man fortsat kan holde internettets CO2-regnskab på den positive side.

– I praksis håber vi på, at vi kan være med til at udvikle viden, som virksomheder på et tidspunkt kan omsætte til bæredygtige teknologier, der gør internettet hurtigere, siger Leif Katsuo Oxenløwe.

Det er et arbejde, der allerede er igangsat med forskningsprojektet INCOM, hvor Leif Katsuo Oxenløwe sammen med Aarhus Universitet og 12 virksomheder skal omsætte forskningsresultaterne til praksis i en forhåbentlig nær fremtid.

Mød Leif Katsuo Oxenløwe til online-foredrag i PROSA tirsdag 26. januar kl. 17.00-19.00. Tilmeld dig på prosa.dk/arrangementer

CV Leif Katsuo Oxenløwe

ALDER: 48 ÅR

UDDANNELSE:

1992-1998:    Master i fysik ved Københavns Universitet

1996-1997:    Overbygning på Imperial College i London

1998-2002:    Ph.d. i Optical Communications ved DTU

KARRIERE

1998:    Ansat på DTU i forbindelse med Ph.d.

2002:    Postdoc og senere lektor på DTU

2014:    Professor og gruppeleder ved DTU Fotonik

2015:    Leder af grundforskningscenter SPOC (Silicon Photonics for Optical Communication)

2016:    Vinder af EU's Horizon Challenge Prize

Leif Katsuo Oxenløwes 3 ønsker til fremtidens internet

1.  GRØN ENERGI

Al kommunikation kører på grøn energi. Som start kan det være et krav, at skattekronerne fra de offentlige institutioner udelukkende må investeres i grønne it-løsninger.

2.  EFFEKTIVITET

Alle kommunikationsteknologier skal køre ultimativt tæt på fundamentale grænser for energieffektivitet. Det kan indebære nye fysiske teknologier som ultrabredbåndede lyskilder med regnbuespektra, ultrahurtige og bredbåndede optiske chips, energioptimerede netværksarkitekturer og algoritmer til databehandling.

3.  REDUKTION

Kommunikationsteknologier udnyttes optimalt til at reducere udledninger, spild af energi og andre ressourcer i andre sektorer; trafik, parkering, temperering af bygninger, belysning, produktionsfaciliteter, fødevarer, klimamonitorering, energiproduktion, vand. Det forventes, at internettet kan indtjene 10x sin egen vægt i CO2 på den måde.

Kommentarer

Log på Mit PROSA for at se eller skrive en kommentar til artiklen