Von Terabits und Chips Zur Kommunikation der Zukunft

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1 Von Terabits und Chips Zur Kommunikation der Zukunft Juerg Leuthold ETH Zurich, Switzerland Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

2 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

3 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

4 EB/Month Global IP Forecast 300 IP Forecast IP Forecast IP Forecast IP Forecas Mobile Forecast % Annual Growth % Annual Growth 40% Annual Growth Year E=Exa=10 18 Mobile Dienste werden zu einem Verbrauchsgut so wie etwa Wasser Ref.: CISCO Gobal IP and Global Mobile Data Traffic Forecast, June 2016 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

5 2000: 128 kbit/sekunde Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

6 2015: 1 Gbit/Sekunde Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

7 2030: 10 Gbit/Sekunde und mehr! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

8 Warum wird die Zukunft nicht realistisch beurteilt? Weil das was kommt noch nicht erfunden ist! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

9 Virtuell vernetzt: Jederzeit Überall! Heute: Soziale Netzwerke (Personen) Jeder jederzeit überall! Morgen: Internet der Dinge (IoT) Alles jederzeit überall! Meine Brille, Meine Jacke,. by Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

10 Real verfügbar: Jederzeit Überall! Heute: Postpakete Morgen: Datenpakete Teile werden gedruckt 3D-Druck in der Medizin bald unverzichtbar. Rückenwirbel ersetzt. Dr. Liu Zhongjun, Peking University, Aug Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

11 Real verfügbar: Jederzeit Überall! Statt Post-Pakete gibt es Datenpakete Heute: Morgen: Personalisierte Kleider Beliebig komplexe Kreationen Noa Raviv, Modedesign, Tel Aviv Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

12 Bildschirme wachsen Bildschirme Heute: Morgen: 3D-Bilder 30 Mb/s Gb/s Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

13 Machine Learning, Deep Learning, KI, Neueronale Netze Beispiel aus dem Jahr 2017: 32 AI-Entwicklerteams mit Bildanalyseerfahrung (keine Mediziner) 12 erfahrene Pathologen Zum Training: 270 CT-Aufnahme 110 mit gefährlichen Knoten 160 gesunde Proben Test: 129 Abbildungen von Gewebeproben mit und ohne Krebs Resultat: Die Pathologen hatten keine Chance Das beste Programm erkannte Krebs-Gewebe und harmlose Befunde zu 100% B. Ehteshami Bejnordi, M. Veta, P. Johannes van Diest et al.: «Diagnostic Assessment of Deep Learning Algorithms for Detection of Lymph Node Metastases in Women With Breast Cancer», in: JAMA, Dezember Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

14 Medizin Heute: Herzfunktion testen Morgen AliveCor Medical-grade EKG band" to the Apple Watch Hautkrebs prüfen Skinvision 83% Erfolg In Zukunft mit Mikroskopaufsatz: Medical grade Das Netzwerk kennt mehr Fälle als ein Arzt im Leben je sehen wird! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

15 Machine Learning, Deep Learning, KI, Neueronale Netze Machine Learning= künstliche Generierung von Wissen aus Erfahrung 70% Antwort positiv negativ 35% Farben Grössen Ein Bild Formen Idee: Basierend auf einem grossen Datenpool lernt man Muster zu erkennen. Der Computer macht das besser als ein Mensch Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

16 Machine Learning, Deep Learning, KI, Neueronale Netze Was löst man damit für Probleme? Gesundheitswesen Kriminelle Muster Einkaufsverhalten Autonomes Fahren, Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

17 Autonomous and Remote-controlled Construction Equipment Commercial Computer sehen mehr, schlafen nicht, und fahren präzsier. Komatsu Rio Tinto, Australia 2010 Erste erfolgreiche Tests bei Google 2018 In abgesperrten Zonen im Einsatz 2020 Erste Strassenzulassungen? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

18 Autonomes Fahren Vision CH 2050 Verdichtet wohnen,öffent. Verkehr My personal dream Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

19 Autonome Fahrzeuge Autonome Roboter Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

20 Cyborg Cyborg = Mischwesen aus lebendigem Organismus und Maschine Film: Ghost in a Shell Nur noch Gehirn ist Mensch Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

21 Cyborg Heute: Morgen: Biologische Wesen werden «repariert»/verbessert Paraplegiker mit Exoskelet Hand- Exoskelet Ref.: NCCR Robotics Exoskeletons Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

22 Finanzwesen Die Herausforderung: Bitcoin-Mining: Rechenleistung wird zur Transaktionsverarbeitung, Absicherung und Synchronisierung aller Nutzer im Netzwerk zur Verfügung gestellt wird. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

23 Cloud Computing Jeder nutzt es bereits heute Apple s Siri Greift auf Cloud-Services zurück. Cisco VNI Global IP Traffic Forecast Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

24 Data Mining die Kunst, Information zu nutzen 90% aller Mobiltelefone sind weniger als 3 m von ihren Besitzern entfernt Google Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

25 Data-Mining Susi - Liebt Gershwin - Abstand halten - 2 Unfälle Die Welt, Mit dem Tiefflug-Display über die deutsche Autobahn, by BMW Deutschland Information freigeben Information verknüpft Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

26 Intelligent Home Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

27 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

28 Was braucht es für den Erfolg + 3D-Printer Gb/s Kommunikation + Lidar Massive Mobilkommunikation Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

29 Was braucht es für den Erfolg + Low-Power Chip Kommunikation + Mass scale Chip Kommunikation Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

30 Kommunikations-Infrastruktur pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

31 Kommunikations Infrastruktur ec.europa.eu/digital-agenda/ pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

32 Car-to-X Communications Car-to-car Car-to-Infrastructure Frequency spectrum in the 5.9 GHz; IEEE Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

33 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

34 Haben wir genügend Bandbreite? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

35 Kanalkapazität Claude Elwood Shannon, Mitarbeiter bei den Bell Labs Wissenschaftliche Arbeit zu Maximal möglicher Übertragungskapazität : A mathematical theory of communication. Bell Syst. Tech. J. 27 (1948) Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

36 Shannon Kanal-Kapazität Lsg 3: Anzahl der Sender vervielfachen C PS B log2 1 PN Verfügbare Frequenzbandbreite Lsg. 1: Höhere Frequenzen mehr Kapazität Verfügbares Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) Lsg 2: Mehr Leistung mehr Kapazität Bemerkung: Es werden hier nur streng physikalische Beschränkungen diskutiert. Kodierverfahren werden nicht diskutiert. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

37 Höhere Frequenzen Mehr Kapazität A Zeit t [s] A Zeit t [s] 1 Hz 2 bit/s 2 Hz 4 bit/s Je höher die Frequenz desto mehr Kapazität! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

38 Mehr Leistung P Mehr Kapazität bit/ Symbol 2 bit/ Symbol 3 bit/ Symbol Mehr Sendeleistung mehr Kapazität! Anzahl bits = log 2 (Anzahl Niveaus) Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

39 Mehr Pfade mehr Sender mehr Kapazität Glasfaserkabel Glasfaser mit 1 Kern Glasfaser mit mehreren Kernen (MIMO=Multiple Input Multiple Output) Mehr Pfade mehr Kapazität! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

40 Die Glasfaser Verluste pro km (0.15 db) oder: 70% nach 10 km Die Glasfaser bietet: Hohe Übertragungsfrequenzen Überträgt hohe Signal-Leistungen: Erhältlich als Kabel mit vielen Fasern 190 THz 1 W und mehr 1000 und mehr Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

41 1.01 Pb/s Transmission über 53 km Glasfaser Ref. Proc. ECOC 2012, PDP 3C.1 Bit-Rate: 222 x 45.7 Gbaud x 5 x 2 x 12 1/1.20 = 1010 Tb/s Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

42 Kommunikations Infrastruktur ec.europa.eu/digital-agenda/ pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

43 Shannon Kanal-Kapazität Lsg 3: Mehr Antennen in kleineren Zellen mehr Kapazität MIMO Antennenverbund am Ort mehr Kapazität C PS B log2 1 PN Frequenzbandbreite Lsg. 1: Mehr Frequenzbänder mehr Kapazität Höhere Frequenzen mehr Kapazität Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) Lsg 2: Mehr Leistung mehr Kapazität Strahl-Lenkung mehr Kapazität Bemerkung: Es werden hier nur streng physikalische Beschränkungen diskutiert. Kodierverfahren werden nicht diskutiert. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

44 PhD Defense - Romain Bonjour Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

45 Use higher carrier frequencies PhD Defense - Romain Bonjour PhD Defense - Romain Bonjour Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

46 Atmospheric Attenuation [db/km] Mehr & höhere Frequenzen Mehr Kapazität GHz (Faktor10) 60 GHz GHz ITU-R P.676-8, GHz 240 GHz (Faktor 100 but LOS) Höhere Frequenz mehr Kapazität Frequency [GHz] Kallfass et al., IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology, vol.1, Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

47 Bsp: 100 Gbit/s Mobilverbindung 240 GHz MMIC LO multiplier ( 6) Rx MMIC IQ-mixer module horn antenna LO 20GHz LO 120GHz lens variable attenuator IQ outputs tripod ETH/KIT: Koenig, S., et al., Nature Photonics, (12): p Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

48 Mehr Leistung P Mehr Kapazität bit/ Symbol 2 bit/ Symbol 3 bit/ Symbol Mehr Sendeleistung mehr Kapazität! Anzahl bits = log 2 (Anzahl Niveaus) Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

49 Use higher carrier frequencies Higher free space path loss: ~25dB Focus beam to users PhD Defense - Romain Bonjour Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

50 Use higher carrier frequencies Higher free space path loss: ~25dB Focus beam to users Beam steering needed PhD Defense - Romain Bonjour PhD Defense - Romain Bonjour Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

51 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

52 User 2 AWG User 1 Experimental Setup using Plasmonic Feeder 2x1 phased array antenna Full BW Rx (1.4 GHz for a 1 GBd Tx Signal) Carrier IQ EDFA 0.6nm EVM=22.3% Ref <1ns Steering Time EVM=22% Time [ns] Ref.: R. Bonjour, et al., "Plasmonic phased array feeder enabling ultra-fast beam steering at millimeter waves," Optics Express 24, (2016). Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

53 Trend zu kleineren Zellen für mehr Antennen Idea: Shorter distance More power (to compensate for higher frequency band losses) Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

54 Trend zu kleineren Zellen für mehr Antennen Ref.: Y. Salamin, et al., "Microwave plasmonic mixer in a transparent fibre wireless link," Nature Photonics, Oct Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

55 Haben wir bald ein Energieproblem? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

56 Herausforderung - Energieverbrauch Cisco CRS-1 Multi Shelf System Verarbeitet 92 Terabits pro Sekunde 1152 Eingänge zu 40 Gb/s Energieverbrauch 1020 kw Datenzentren: - zentrale & kühle Orte - genügend & günstige Energie - Datenschutz und politische Stabilität Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

57 Elektrische Signale auf Laser kodieren Kommerzieller Modulator a Neuster Modulator - ETH Signal pad Suspended bridge Ground pad 3 Island 2 1 mm Ground pad Gbit/s Dimension: 100 mm x 20 mm Verbrauch: fj/bit 0.5 Watt im Modulator 5 Watt für Kühlung : 100x10 6 : Gbit/s Dimension: 10 mm x 2 mm Verbrauch: 20 fj/bit Watt ETH: C. Haffner et al; Nature Photonics, Aug Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

58 Das Gehirn unglaublich effizient The Neuron Neurons fire with Action potentials as small as mv. P P 50mV 1V Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

59 Principle of Operation Plasmonic resonator Off state: The device supports a plasmonic resonance at the tip On state: The voltage-induced filament construction (only by moving few atoms) shift the resonance wavelength A. Emboras, et al., "Atomic Scale Plasmonic Switch," Nano Letters, vol. 16, pp , Jan Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

60 Performance: Selected Device Current Compliance Lower Switch on Voltage Better controlled filament growth Better reproducibility A. Emboras, et al., "Atomic Scale Plasmonic Switch," Nano Letters, vol. 16, pp , Jan Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

61 Walking again after spinal cord injury Grégoire Courtine (EPFL and CHUV/Unil) & Jocelyne Bloch (CHUV/Unil); Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury, Nature, Nov. 1 st, 2018 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

62 Cyborg: Blinde können wieder sehen Prof Dr. med. Eberhart Zrenner, Tübingen Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

63 Ist die Prozessorleistung ein Problem? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

64 Programmierbare Elektronik (FPGA) Jahr 2000: 1 x 40 Gbit/s 60 kchf Jahr 2015: Neuste FPGA Hardware < 20 kchf Kommunikation mit >4Tbit/s Bandbreite 128 Eingänge & Gbit/s High-Speed IO Bandwidth [Gbit/s] Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

65 FPGA Processing Power Latest Xlinx FPGA hadware The latest programmable hardware offers IO Bandwidth (>4Tbit/s). This is more than what can be received and processed by the eye. Why then, do we still allow humans to drive on the streed? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

66 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

67 Gesundheit: Strahlenbelastung und Gehirntumor Quelle: Forschungsstiftung Strom Mobilkommunikation (FSM); ETH Zürich Leitgeb, 2014 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

68 Sicherheit Hacker übernehmen Kontrolle über Auto 21. Juli 2015 Grösste Gefahr: Fehlendes Sicherheitsbewusstsein bei Herstellern und Kunden! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

69 Lukrative Narrative NZZ, Felix Simon , Alarmismus & grosse Begriffe: Blockchain, KI, Big Data, Plattformkapitalismus Historiker Niall Ferguson: The Tower and The Square.: grosse Tech-Unternehmen sind die neuen Hegemonialmächte Jurist Jamie Susskind: Future Politics. «Diejenigen, die die Wahrnehmungsmittel kontrollieren, werden zunehmend die Art und Weise bestimmen, wie wir fühlen und denken, und handeln.» Wir seien noch nicht bereit, «für die Welt, die wir erschaffen». Firma Cambridge Analytica mit psychologischen «Targeting» von Facebook-Nutzern Zeitungen: Selbst hoch-qualifizierte werden die Arbeit verlieren! Ich sehe mehr Chancen als Probleme! Aber wir müssen die Jugend tatsächlich anders ausbilden Latein ist keine Qualifikation. Programmieren hingegen schon! Eine 15% Gymnasial-Quote deckt nicht mehr den Bedarf Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold

70 Schlussfolgerung Die Zukunft zu planen, heisst diese zu erahnen. Fall der Kommunikation: exponentielles Wachstum! Gute Kommunikationsinfrastruktur & Lebensqualität hängen zusammen! Die Physik setzt der Kommunikation noch keine Grenzen Es braucht Firmen, Gemeinden, welche diese Infrastrukturen bauen & eine Regierung, welche die gesetzlichen Voraussetzungen schafft. Danke! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold