Innovative Optical and Wireless Networks im Fokus – Teil 1 Ist IOWN die Kommunikationsstruktur der Zukunft?

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Unter der Abkürzung IOWN (Innovative Optical and Wireless Networks) kursiert seit einiger Zeit die Idee, Netzwerke und sogar Computer komplett photonenbasiert, also optisch, zu betreiben. Das soll deutliche Vorteile bei Geschwindigkeit, Übertragungsraten und Energieverbrauch bringen. Doch was ist dran an dem neuen Konzept?

Silizium und Kupfer bilden seit jeher das Rückgrat der Computer- und Netzwerktechnik. Allerdings kommt die Technik in Sachen Leistung nach und nach an ihre Grenzen: Gerade im Hinblick auf die rechen- und bandbreitenintensiven KI-Anwendungen zeichnet sich ein Flaschenhals ab. Genau deshalb hat das japanische Telekommunikationsunternehmen Nippon Telegraph and Telephone (NTT) zusammen mit anderen großen Playern wie Intel und Sony 2020 das IOWN-Projekt ins Leben gerufen. IOWN steht für „Innovative Optical and Wireless Networks“ – und genau darum geht es hier auch: Die Erforschung und Entwicklung von IT-Infrastruktur, die zum großen Teil oder sogar vollständig auf Photonen, also auf optischer Datenübertragung basiert.

Das soll enorme Geschwindigkeiten, sowohl in der Verarbeitung als auch bei der Übertragung von Daten ermöglichen. In einem Artikel schreibt Jun Sawada, CEO von NTT, bereits 2021, dass IOWN letztlich das Ziel habe, Telekommunikation möglichst nahtlos – und damit „natürlich“ – in die menschliche Umwelt einzubinden. Eine Zukunftsvision, der der aktuelle Status quo zugrunde liegt: Obwohl Telekommunikation überall ist, ist es doch jedes Mal für Menschen technisch aufwändig, neue Endgeräte oder Kommunikationsmethoden zu erlernen. Zudem sind aktuelle Systeme anfällig gegenüber Störungen. IOWN soll die nötige Infrastruktur schaffen, um smarte Telekommunikation überall nahtlos bereitzustellen.

Drei Ebenen, um IOWN zu realisieren

IOWN bedient sich zur Realisierung dieser Vision dreier Ebenen: Die unterste Ebene ist das optische Netzwerk an sich, das NTT als „All-Photonics-Network“ bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk, das ausschließlich auf optische Datenverarbeitung und -übertragung setzt. Der Vorteil von Glasfaser-Technik sind niedrige Latenzen, hohe Bandbreiten und niedriger Energieverbrauch. Die aktuelle Infrastruktur, die Daten speichert und verarbeitet, „generiert Hitze wie ein Toaster“, sei ineffizient und könnte durch optische Technik optimiert werden, so Sawada.

Hinzu kommen zwei weitere Ebenen, die die IOWN-Idee ausmachen: Da wären zunächst die Mobilfunknetze der neuesten Generation, derzeit 5G und das kommende 6G, die auch die reibungslose Kommunikation zwischen kleineren Entitäten erlauben. Die dritte und wichtigste Ebene ist aber eine NTT-Technologie: Die „Cognitive Foundation“, die Anwendungen und Geräte sowie das Netzwerk selbst orchestriert und den Cyberspace nahtlos mit der echten Welt verbindet. Dazu möchte NTT mittels „Digital Twin Computing“ dafür sorgen, dass Objekte aus der echten Welt nahtlos mit dem Netz verbunden werden – wie es aktuell bereits beim Internet-of-Things der Fall ist. Später sollen „digitale Zwillinge“ von Dingen und sogar Menschen ihren Weg ins Netz finden und so einen im besten Fall „natürlichen“, weil reibungslosen, Austausch zwischen beiden Welten ermöglichen.

Roboter-Café in Tokyo gibt erste Eindrücke

In seinem Artikel führt Sawada auch ein praktisches Beispiel an: Das „Avatar Robot Cafe DAWN ver.β“ in Tokyo an: Das Konzept ist, dass Menschen mit körperlicher Einschränkung hier die Kunden bedienen. Möglich wird das mittels Robotern namens OriHime, die den„Piloten“ im Café physische Sinne und Körperfunktionen bereitstellen. Gesteuert wird der Roboter-Avatar über das Internet. Auf diese Weise können schwer- und schwerst eingeschränkte Menschen aktiv am Leben teilnehmen und sogar einer Arbeit nachgehen.

Allerdings stellt laut Sawada hier die aktuelle Netzwerktechnik tatsächlich ein Problem dar: Latenzen und Bandbreiten konventioneller Datenverbindungen schränken das vollständige Erlebnis für die Piloten ein: Wären die Bandbreiten und Geschwindigkeiten höher skalierbar, könnten die vollen fünf Sinne übertragen werden. Echte Welt und Internet würden nahtlos zusammenarbeiten, Mensch und Maschine würden auf gewisse Weise ineinanderfließen. IOWN soll genau das ermöglichen. Einsätze der Technologie sind in vielen Bereichen denkbar, von der Medizintechnik über die Industrie und eSports bis zur Tourismus-Branche.

Photonenbasierte Prozessoren und Leiterbahnen

Doch nicht nur die Verbindungen an sich sind Teil des IOWN-Konzepts: Künftig sollen auch Chips und deren Signalübermittlung auf photonenbasierte, also optische Signalübermittlung setzen, um den enormen Datenmengen Herr zu werden und den Stromverbrauch zu senken. Immerhin sind heutige Rechenzentren enorme Energiefresser, ein Großteil des eingesetzten Stroms verpufft dabei in Wärme.

Schon 2025 will NTT deshalb erste Systeme vorstellen, bei denen die Datenübermittlung zwischen Chips auf Platinen optisch vonstattengeht. Dadurch sind enorme Bandbreiten möglich, bei gleichzeitiger Reduktion der Abwärme. Bis Ende der 2020er-Jahre ist daher mit optischen Computersystemen zu rechnen, die das klassische Chip-auf-Platine-Konzept nach und nach ersetzen. Schon 2030 sollen – so die ambitionierten Pläne – auch Chips entwickelt werden können, deren Recheneinheit optisch arbeitet – und dadurch deutlich weniger Abwärme produzieren, was den Betrieb nicht nur finanziell, sondern auch im Hinblick auf den Klimawandel deutlich optimiert.

Die Chancen stehen nicht schlecht, dass IOWN tatsächlich realisiert werden kann: Neben NTT, Intel und Sony sind viele andere namhafte Tech-Unternehmen im IOWN Global Forum im Boot, darunter AMD, Cisco, Dell, Google, Microsoft und Oracle sowie die Misch- und Autokonzerne Mitsubishi und Toyota. Zahlreiche namhafte japanische Universitäten und internationale Institute beteiligen sich an der Forschung und den akademischen Grundlagen der Technologie.

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