Von Terabits und Chips Zur Kommunikation der Zukunft

Von Terabits und Chips Zur Kommunikation der Zukunft Juerg Leuthold ETH Zurich, Switzerland Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 1

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 06.11.2018 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 06.11.2018 3

EB/Month Global IP Forecast 300 IP Forecast 2005-11 IP Forecast 2010-15 250 IP Forecast 2014-19 IP Forecas 2016-21 200 Mobile Forecast 2016-21 23% Annual Growth 150 100 50 60% Annual Growth 40% Annual Growth 0 2005 2010 2015 2020 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 06.11.2018 4

2000: 128 kbit/sekunde Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 5

2015: 1 Gbit/Sekunde Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 6

2030: 10 Gbit/Sekunde und mehr! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 7

Warum wird die Zukunft nicht realistisch beurteilt? Weil das was kommt noch nicht erfunden ist! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 8

Virtuell vernetzt: Jederzeit Überall! Heute: Soziale Netzwerke (Personen) Jeder jederzeit überall! Morgen: Internet der Dinge (IoT) Alles jederzeit überall! Meine Brille, Meine Jacke,. by www.dreamstime.com Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 9

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. 2014 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 10

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 06.11.2018 11

Bildschirme wachsen Bildschirme Heute: Morgen: 3D-Bilder 30 Mb/s Gb/s http://ex-blog.panasonic.co.jp/exhibition/2008/09/ceatec08_250.html Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 12

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 2017. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 13

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 06.11.2018 14

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 06.11.2018 15

Machine Learning, Deep Learning, KI, Neueronale Netze Was löst man damit für Probleme? Gesundheitswesen Kriminelle Muster Einkaufsverhalten Autonomes Fahren, https://www.nvidia.com/en-sg/deep-learning-ai/industries/ Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 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 06.11.2018 18

Autonomes Fahren Vision CH 2050 Verdichtet wohnen,öffent. Verkehr My personal dream Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 20

Autonome Fahrzeuge Autonome Roboter Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 21

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 06.11.2018 22

Cyborg Heute: Morgen: Biologische Wesen werden «repariert»/verbessert Paraplegiker mit Exoskelet Hand- Exoskelet Ref.: NCCR Robotics Exoskeletons Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 23

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 06.11.2018 24

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 06.11.2018 25

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 06.11.2018 26

Data-Mining Susi - Liebt Gershwin - Abstand halten - 2 Unfälle Die Welt, Mit dem Tiefflug-Display über die deutsche Autobahn, 21.7. 2012 by BMW Deutschland Information freigeben Information verknüpft Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 27

Intelligent Home www.digitalstrom.ch Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 29

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 06.11.2018 30

Was braucht es für den Erfolg + 3D-Printer Gb/s Kommunikation + Lidar Massive Mobilkommunikation Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 31

Was braucht es für den Erfolg + Low-Power Chip Kommunikation + Mass scale Chip Kommunikation Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 32

Kommunikations-Infrastruktur pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 33

Kommunikations Infrastruktur ec.europa.eu/digital-agenda/ pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 34

Car-to-X Communications Car-to-car Car-to-Infrastructure Frequency spectrum in the 5.9 GHz; IEEE 802.11 www.car-2-car.org Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 35

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Haben wir genügend Bandbreite? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 37

Kanalkapazität Claude Elwood Shannon, 1918 2001 Mitarbeiter bei den Bell Labs Wissenschaftliche Arbeit zu Maximal möglicher Übertragungskapazität : A mathematical theory of communication. Bell Syst. Tech. J. 27 (1948) 379 423 http://www.landley.net/history/ Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 38

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 06.11.2018 39

Höhere Frequenzen Mehr Kapazität A 1 0 0 1 Zeit t [s] A 1 1 0 0 0 1 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 06.11.2018 40

Mehr Leistung P Mehr Kapazität 1 0 10 11 01 00 100 101 111 110 010 011 001 000 1 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 06.11.2018 41

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 06.11.2018 42

Die Glasfaser Verluste pro km (0.15 db) oder: 70% nach 10 km www.corning.com/media/ 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 06.11.2018 43

1.01 Pb/s Transmission über 53 km Glasfaser 100 101 111 110 010 011 001 000 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 06.11.2018 44

Kommunikations Infrastruktur ec.europa.eu/digital-agenda/ pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 45

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 06.11.2018 46

PhD Defense - Romain Bonjour Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 47

Use higher carrier frequencies PhD Defense - Romain Bonjour PhD Defense - Romain Bonjour Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 48

Atmospheric Attenuation [db/km] Mehr & höhere Frequenzen Mehr Kapazität 28-38 GHz (Faktor10) 60 GHz 71-76 GHz ITU-R P.676-8, 2009. 92-95 GHz 240 GHz (Faktor 100 but LOS) Höhere Frequenz mehr Kapazität Frequency [GHz] Kallfass et al., IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology, vol.1, 2011. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 49

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, 2013. 7(12): p. 977-981. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 50

Mehr Leistung P Mehr Kapazität 1 0 10 11 01 00 100 101 111 110 010 011 001 000 1 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 06.11.2018 51

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 06.11.2018 52

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 06.11.2018 53

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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 -2-1 0 1 2 EVM=22% Time [ns] Ref.: R. Bonjour, et al., "Plasmonic phased array feeder enabling ultra-fast beam steering at millimeter waves," Optics Express 24, 25608 (2016). Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 55

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 06.11.2018 56

Trend zu kleineren Zellen für mehr Antennen Ref.: Y. Salamin, et al., "Microwave plasmonic mixer in a transparent fibre wireless link," Nature Photonics, Oct. 2018. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 57

Haben wir bald ein Energieproblem? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 58

Herausforderung - Energieverbrauch Cisco CRS-1 Multi Shelf System http://newsroom.cisco.com 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 06.11.2018 59

Elektrische Signale auf Laser kodieren Kommerzieller Modulator a Neuster Modulator - ETH Signal pad Suspended bridge Ground pad 3 Island 2 1 mm Ground pad 1 100 Gbit/s Dimension: 100 mm x 20 mm Verbrauch: 10 000 fj/bit 0.5 Watt im Modulator 5 Watt für Kühlung : 100x10 6 : 500 120 Gbit/s Dimension: 10 mm x 2 mm Verbrauch: 20 fj/bit 0.002 Watt ETH: C. Haffner et al; Nature Photonics, Aug. 2015 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 60

Das Gehirn unglaublich effizient The Neuron Neurons fire with Action potentials as small as 20-100 mv. P P 50mV 1V 2 0.05 1 2 1 400 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 61

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. 709-714, Jan. 2016. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 62

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. 709-714, Jan. 2016. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 63

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 06.11.2018 64

Cyborg: Blinde können wieder sehen Prof Dr. med. Eberhart Zrenner, Tübingen Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 65

Ist die Prozessorleistung ein Problem? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 66

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 & Ausgänge @ 32.75 Gbit/s High-Speed IO Bandwidth [Gbit/s] 5000 4000 3000 2000 1000 0 1996 2000 2004 2008 2012 2016 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 67

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 06.11.2018 68

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 06.11.2018 69

Gesundheit: Strahlenbelastung und Gehirntumor Quelle: Forschungsstiftung Strom Mobilkommunikation (FSM); ETH Zürich Leitgeb, 2014 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 70

Sicherheit Hacker übernehmen Kontrolle über Auto 21. Juli 2015 Grösste Gefahr: Fehlendes Sicherheitsbewusstsein bei Herstellern und Kunden! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 06.11.2018 71

Lukrative Narrative NZZ, Felix Simon 30.10.2018, 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 06.11.2018 72

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 06.11.2018 73