Es ist nur so groß wie ein Finger, bestimmt aber die Geschwindigkeit der KI – was ist dieses Ding überhaupt?

Einführung

Am 3. Juni 1880 führte Alexander Graham Bell, der Erfinder des Telefons, ein besonderes Experiment für Telefongespräche durch.

Bell ließ den Ton die Schwingung eines Spiegels antreiben, sodass das von dem Spiegel reflektierte Sonnenlicht sich entsprechend änderte; das veränderte Lichtsignal wurde durch die Atmosphäre übertragen, von einer Selen-Photozelle empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, und schließlich über einen Hörer wieder in Sprache zurückverwandelt.

Obwohl dieses „Photophon“ kommunizieren konnte, war es stark von dem Wetter abhängig – wenn eine Wolke vorbeizog, konnte der Ton verschwinden. Bell hatte bereits die Methode zur Übertragung von Informationen mit Licht gefunden, fehlte aber noch ein Weg, der das Lichtsignal binden und schützen konnte. Später hat die Glasfaser diese Lücke geschlossen.

Mitte bis spät im 19. Jahrhundert begannen die Menschen, das Phänomen der Totalreflexion von Glasstäben zur Führung von Lichtstrahlen zu nutzen. Frühe Anwendungen konzentrierten sich hauptsächlich auf Beleuchtung und Bildgebung, aber die Dämpfung und Störungen waren offensichtlich, sodass die Übertragungsqualität und die Entfernung relativ begrenzt waren.

Der Wendepunkt kam 1966. Der Physiker Charles K. Kao, der am British Standard Telecommunications Laboratory arbeitete, stellte fest, dass die hohe Dämpfung von Licht in Glas hauptsächlich von Verunreinigungen stammt; solange das Glas ausreichend rein ist, kann Licht mit geringer Dämpfung eine Langstreckenübertragung erreichen. Diese Theorie legte den Grundstein für die moderne Glasfaserkommunikation, und Kao erhielt dafür 2009 den Nobelpreis für Physik.

1970 stellten Forscher der amerikanischen Firma Corning die erste Glasfaser mit einer Dämpfung von weniger als 20 Dezibel pro Kilometer her, sodass die theoretische Vorstellung tatsächlich in die Ingenieurspraxis überging. Mit der Kommerzialisierung von glasfasern mit geringer Dämpfung gelangte Licht allmählich in Telefone, Kabelfernsehen und das Internet und verband alle Ecken der Welt.

Der Physiker Charles K. Kao

Forscher von Corning zeigen die Glasfaser

Aber letztendlich ist die Glasfaser nur ein Übertragungsweg. Die Geräte in Computern und Rechenzentren verarbeiten elektrische Signale und können Daten nicht direkt in die Glasfaser einspeisen. Um elektrische Signale über die Glasfaser zu übertragen, muss zuerst Elektrizität in Licht umgewandelt werden; nach der Ankunft am Empfangsende muss das Licht wieder in ein elektrisches Signal zurückverwandelt werden.

Diese beiden „Übersetzungen“ werden von einer kleinen, fingerhutgroßen Box erledigt – dem optischen Modul.

Der „Morsecode“ zwischen Elektrizität und Licht

Das optische Modul besteht hauptsächlich aus optischen Sende- und Empfangselementen, Signalverarbeitungs- und Steuerungsschaltkreisen sowie optoelektronischen Schnittstellen.

Beim Senden von Daten verarbeitet und verstärkt der Schaltkreis zuerst das elektrische Signal und treibt dann den Laser an, um Licht zu erzeugen, das sich mit den Daten ändert. Anschließend wird das Licht über optische Elemente wie Linsen genau in die Glasfaser eingespeist.

Beim Empfangen von Daten läuft der Prozess umgekehrt ab: Der Detektor wandelt das Licht in einen schwachen Strom um, der Schaltkreis gewinnt die vollständigen Daten daraus zurück und gibt sie an den Chip des Geräts zur Verarbeitung weiter. Ein optisches Modul kann normalerweise gleichzeitig Senden und Empfangen durchführen.

Die Frage stellt sich: Wie genau erreichen Elektrizität und Licht den gegenseitigen Informationsaustausch?

Dieser Prozess lässt sich mit dem Morsecode vergleichen. Der Morsecode stellt verschiedene Buchstaben durch Kombinationen von langen und kurzen Signalen dar; die optische Kommunikation muss ebenfalls eine Reihe von Regeln vereinbaren, um Informationen auf Lichtsignale abzubilden, aber diese Regeln sind komplexer.

Der gesamte Prozess hat eine grundlegende Voraussetzung: Sender und Empfänger müssen genau dieselben Codierregeln befolgen. Auf welche Weise der Sender die Daten in das Lichtsignal schreibt, muss der Empfänger auf dieselbe Weise auslesen.

Informationen in Computern werden in binärer Form dargestellt. Nehmen wir das einfachste Beispiel: Das optische Modul kann 0 und 1 des elektrischen Signals durch unterschiedliche Lichtintensitäten darstellen: 0 entspricht schwächerem Licht, 1 entspricht stärkerem Licht. Der Empfänger erkennt die Änderung der Lichtintensität und stellt die Daten dann nach denselben Regeln wieder her.

Bei der Langstrecken-Optikkommunikation kann man auch die Phasen- und Polarisationsänderung des Lichts nutzen, um Informationen zu codieren, oder Daten parallel über unterschiedliche Wellenlängen übertragen, sodass die Übertragungskapazität einer einzelnen Glasfaser gesteigert wird.

Licht vor, Kupfer zurück?

„Licht vor, Kupfer zurück“ ist ein weit verbreiteter Ausdruck in der optischen Kommunikationsbranche. Er lässt leicht eine intuitive Vorstellung entstehen: Glasfaser überträgt Daten schneller und wird früher oder später Kupferkabel vollständig ersetzen, sodass Kupfer schließlich aus dem Kommunikationsnetz verschwindet. Aber die tatsächliche Situation ist interessanter.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde, aber sie verlangsamt sich, wenn Licht in Glas eintritt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektrischen Signalen entlang von Kupferkabeln liegt tatsächlich in der gleichen Größenordnung wie bei Glasfasern.

Ein technisches Dokument von Cisco gibt typische Werte an: Die Ausbreitungsverzögerung von Glasfaser und Kupferkabel beträgt etwa 5 bis 5,5 Mikrosekunden pro Kilometer. Der Unterschied zwischen der Zeit, die das Signal benötigt, um von einem Ende zum anderen zu gelangen, ist bei beiden nicht so groß wie man denkt.

Was die Lücke wirklich vergrößert, ist die Bandbreite, mit der eine Leitung Daten über eine bestimmte Entfernung übertragen kann, sowie der dafür erforderliche Stromverbrauch, Platzbedarf und Kosten.

Tatsächlich hat Kupferkabel Vorteile bei der Kurzstreckenübertragung. Es ist preiswert und einfach zu verbinden; in Servern, zwischen benachbarten Geräten und bei einigen Verbindungen innerhalb von Racks ist Kupferkabel immer noch eine effiziente Wahl.

Probleme treten auf, wenn die Geschwindigkeit höher und die Entfernung größer wird. Wenn Hochgeschwindigkeits-Elektrosignale entlang von Kupferdrähten übertragen werden, werden die Signale umso leichter gedämpft und verzerrt, je länger die Entfernung ist. Eine Erhöhung der Signalverarbeitung kann dies teilweise kompensieren, aber das führt zu zusätzlichem Stromverbrauch; außerdem werden Hochgeschwindigkeits-Kupferkabel dicker und schwerer, was den Druck auf die dichte Verkabelung und die Wärmeabfuhr weiter erhöht.

Die optische Kommunikation ist in diesen Szenarien entspannter. Die Dämpfung von Lichtsignalen in Glasfasern ist gering, sie sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, sodass man mit dünneren und leichteren Kabeln Schränke und Rechenzentren überbrücken kann; dieselbe Glasfaser kann auch mehrere Wellenlängen nutzen, um Daten parallel zu übertragen, was die Bandbreite leichter erweitert.

Der Verkabelungsleitfaden von Nvidia empfiehlt ausdrücklich, dass bei kurzen Übertragungsentfernungen innerhalb von Schränken und kostensensitiven Szenarien normalerweise passive Kupferkabel verwendet werden können; für Verbindungen zwischen verschiedenen Schränken wird häufiger Glasfaser verwendet, da Glasfaser größere Entfernungen abdecken kann und einen kleineren Kabeldurchmesser hat.

Daher beschreibt „Licht vor, Kupfer zurück“ eine strukturelle Veränderung in der Kommunikationsbranche: Mit dem Wachstum des Datenvolumens und der Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit verkürzt sich die wirtschaftlich abdeckbare Entfernung von Kupferkabeln ständig, und die umfassenden Vorteile von Glasfaser treten hervor. Bei ausreichend kurzen Entfernungen ist Kupferkabel immer noch billig und zuverlässig.