Yaklaşan Veri Darboğazına Fiber Çözüm Arayışı: Son Işık Bükücüler

İnternet ve iletişim ağlarıyla taşınan veri hacminin katlanarak artmasının, mevcut veri iletim altyapılarını birkaç yıl içinde ciddi bir darboğaza sürüklemesi bekleniyor. Araştırmacılar, bu sorunun üstesinden gelebilmek için veri aktarımında en büyük yükü üstlenen fiberoptik ağların verimini artıracak yeni yöntemler peşinde.

1858’de Atlas Okyanusu’nu geçerek Avrupa’yı Amerika’ya bağlayan ilk telgraf hattını takip eden 100 yıldan uzun süre boyunca, kalın bakır kablolar uzak veri aktarımının tek çaresi olarak görülüyordu. Ta ki bugün cep telefonlarının ve hassas elektronik cihazların yüzeylerini çizilmelere karşı koruyan dayanıklı camlarıyla tanıdığımız Corning Glass Works, 1970 yılında ilk fiberoptik teli üretene ve 1975’te ilk ticari fiberoptik ağını kurana kadar.

O zamanlardan itibaren veri ve veri aktarımı adına bildiğimiz şeyler çok değişti. Bir zamanlar dakikada birkaç kelimeyi ancak aktarabilen kıtalararası veri aktarım ağları, bugün inanılmaz bir veri hacmini bir kıtadan diğerine taşıyor. Cisco’nun 2015 yılı verilerine göre küresel veri iletim hacmi 2014 yılına oranla yüzde 74 artarak aylık 3,7 exabayt, yani saniyede 85 terabayt seviyesine ulaştı. 1992 yılında günlük veri aktarım hacminin 100 gigabayt civarında olduğunu düşünürseniz, çarpıp böldüğünüzde 23 yıl öncenin 1 yıllık toplam verisinin bugün yarım saniyeden daha kısa sürede paylaşıldığını görüyorsunuz. 23 yılda 1 milyon 200 bin katın üzerinde bir veri artışından söz ediyoruz, gerçekten inanılmaz.

Bu yükün büyük bir kısmı dünyanın dört bir yanına yayılmış, saç teliyle kıyaslanacak kadar ince cam silindirlerden oluşan fiberoptik kablolarla taşınıyor. Lazer ışınlarını yol boyunca yansıtarak veriyi uzak mesafelere aktarabilen ve dünya genelindeki toplam uzunluğu 2 milyar kilometreyi geçen bu kılcal yapılar, çağdaş dünyadaki bilgi otoyollarının en önemli bileşenlerini oluşturuyor.

Üstelik bundan birkaç yıl öncesine kadar fiber üzerinden taşınabilecek veri hacminin bir limiti olmayacağı düşünülüyordu. Fiber kabloyu bir kez döşediğinizde iki ucunda yer alan vericilerin, aktarıcıların ve güçlendiricilerin gelişimiyle sistem hızlanmaya devam edecek ve gelecekteki tüm ihtiyaçları karşılamaya yetecekti. Ancak Southampton Üniversitesi Optoelektronik Araştırma Merkezi araştırmacılarından David Richardson, fiber üzerinden aktarılacak veri hacminin yavaş yavaş yapısal sınırlara doğru yaklaştığına dikkat çekiyor. Fiber optik kabloların teorik veri taşıma kapasitesi üzerine tartışmalar devam etse de, şu anki teknolojiyle bu kapasitenin bugün kullanılan en hızlı ağın 10 katı civarında olduğu tahmin ediliyor.

Dahası, mobil iletişim ve nesnelerin interneti gibi kavramlar eşliğinde veri hacmindeki artış bu hızla devam ederse 2020 yılında bu sınıra ulaşmış olacağız.

Yansımanın Sınırlarını Zorlamak

Veriye olan iştahımız mikroişlemcilerin, depolama cihazlarının ve pek çok başka teknolojinin olduğu gibi veri iletim hatlarının da sınırlarını zorlayacak noktaya geldikçe, önümüzdeki bariyerleri aşmak için küçük adımlardan daha ötesine ihtiyaç duyuyoruz. Bu konu üzerine yapılan araştırmalar, ilginç bir şekilde fiber teknolojisinde bir sonraki adımın üretim süreçlerini daha da karmaşık hale getirmek değil, tam tersine yapıyı sadeleştirmek ve temel malzemelere dönmek olacağına işaret ediyor. Peki ama nasıl?

Bunu daha iyi anlamak için öncelikle mevcut fiberoptik kabloların yapısına biraz değinmekte fayda var. Öyle ya, nasıl oluyor da bir kablonun ucundan ışık verip yüzlerce, hatta binlerce kilometre kaybolmadan dolaşmasını sağlayabiliyorsunuz?

Fiber optik kablonun yapısı. Tam yansıma için merkezdeki camı çevreleyen katmanın kırılma indisinin camdan az olması ve ışığın belli açıyla kabloya girmesi gerekir.

Fiberoptik kablolar, dıştaki koruyucu kaplamaları saymazsanız aslında iki temel katmandan oluşur: Yüksek saflıkta camdan üretilmiş iç yüzey ve camın etrafını boydan boya saran yansıtıcı tabaka. Fiberoptik kabloda kullanılan camın kırılma indisi, etrafını saran yansıtıcı kaplamanın kırılma indisinden daha yüksektir. Bu bilinçli bir tercihtir, zira bu koşullarda fizik kuralları şunu der: Işığı, kırılma indisi daha yüksek olan bir maddeden kırılma indisi düşük olan maddeye kritik yansıma eşiğinden daha büyük bir açıyla yönlendirirseniz, tam yansıma adı verilen ve ışığın kayıpsız olarak geri yansıdığı koşulları sağlamış olursunuz. Böylece ışık huzmesinin şiddeti azalmadan, kablonun duvarlarından yansıyıp uzun mesafeler aşmasını sağlayabilirsiniz.

Burada camın kalitesi çok büyük önem taşır. Çünkü fiberoptik iletimde sinyal kaybı yansımadan ziyade camın içindeki safsızlıklar nedeniyle gerçekleşir. Bu da hat boyunca belli aralıklarla sinyal güçlendiriciler koymayı gerektirir.

İçi Boş Fiber Çözüm Olabilir mi?

Southampton Üniversitesi araştırmacılarından Walter Belardi’nin bu konuda bir fikri var: Fiber kablonun içini boşaltmak. Yani fiberin içini camla doldurmaktan vazgeçip, kablonun içini boş bırakmak. Böylece ışığın kablo içindeki yolculuğu neredeyse tamamen havada gerçekleşeceği ve ışık havada cama kıyasla yüzde 45 daha hızlı yol aldığı için kabloların veri taşıma kapasitesi de artacak.

Aslında bu herkesin aklına gelebilecek bir fikir. Ancak unutmayın, tam yansımanın gerçekleşmesi için ışığın kırılma indisi yüksek maddeden kırılma indisi düşük maddeye doğru yol alması gerekli. Bu durumda yansıtıcı olarak kullanılan maddenin kırılma indisi havadan daha düşük olamayacağı için sistemin temel çalışma ilkesi olan tam yansıma gerçekleşmeyecek ve ışığın bir bölümü yansıtıcı tabakaya geçerek kaybolacak. Tabii kablonun iç yüzeyinde yer alan kaplamayı özel tekniklerle işlemediğiniz sürece.

Belardi’nin kablo tasarımı, kablonun içinin boşaltılması için üretim sırasında iç kısma özel yapıların eklenmesine ihtiyaç duyuyor.

Belardi bahsi geçen mikro kaplamanın üretiminde yüksek ısı gerektiren yüksek kaliteli camdan ziyade, neredeyse 100 kat daha ucuza mal olan normal camın daha iyi sonuç verdiğini ifade ediyor. Bunun da iki nedeni var: Birincisi, ışık yolculuğunun büyük bir kısmını havada gerçekleştireceği için camın kalitesi performans üzerinde o kadar da etkili olmayacak. İkincisi, kaliteli cam üretimi sırasında yüksek ısı nedeniyle oluşan pürüzlü yüzeyi mikro ölçekte işlemek, normal cam yüzeyi işlemekten daha zor.

Tüm bu avantajlara rağmen içi boş fiberde sinyal kayıp oranının klasik fibere oranla 10 kat daha yüksek olacağı söyleniyor. Bu da gelecek için umut verse de şimdilik kullanımı kısıtlayan bir durum.

Yine de bu alandaki gelişmelerle son derece yakından ilgilenen bir kesim var: Finans endüstrisi.

Mikrosaniyelerin Sonucu Değiştirdiği Bir Dünya

Her saniye milyonlarca hissenin borsalarda işlem gördüğü ve milyarlarca doların (ya da Türk Lirası, Avro, Sterlin, Yen, Yuan her neyse) el değiştirdiği finans sektöründe bu hareketlerin önemli bir bölümü bilgisayarların yönettiği algoritmalar tarafından gerçekleştiriliyor. Bu alanda rekabet çok büyük, mikrosaniyeler bile altın değerinde. Hedeflenen işlemi gerçekleştirirken rakip algoritmanın birkaç mikrosaniye gerisinde kalmanız, olası fırsatları kaçırmanıza ve milyarlarca dolarlık avantajı rakiplerinize devretmenize neden oluyor.

Bu nedenle finans kuruluşları ve bu alanda hizmet veren şirketler, veri merkezi bağlantılarını merkezi telekomünikasyon omurgalarına ve borsa merkezlerine yakın tutmak için büyük yatırımlar yapar. Çünkü mikrosaniyelerin söz konusu olduğu bir yarışta, ışığın uzak mesafeleri aşarken kaybettiği zaman da kazananı belirleyen önemli bir etkendir. Örneğin Wall Street’te bir işlemi gerçekleştirmek için İstanbul’dan bağlantı kurduğunuzu ve aynı işlem için New York’ta yerleşik bir şirketle yarışmak zorunda kaldığınızı düşünün. İstanbul’dan verdiğiniz emre dair bağlantı sinyalleri yaklaşık 8 bin kilometrelik yolu 4 milisaniyede kat ederken, New York’taki rakip algoritma çoktan işlem sırasına girip üzerine kahvesini içmiş olacaktır. Dolayısıyla böyle bir durumda sizinle benzer sonucu hedefleyen bir karşı algoritmayla rekabet etme şansınız yok.

Peki ya New York’ta yan yana iki şirket kendi aralarında rekabet etmek durumunda kalırsa, o zaman kazananı kim belirleyecek?

Fiber Optik

Biraz yukarıda kırılma indisinden bahsetmiştik. Bu rakam, ışığın boşlukta ilerleme hızının (buna c, yani ışık hızı adını veriyoruz) ışığın başka bir madde içinde ilerleme hızına bölünmesiyle bulunur. Örneğin camın kırılma indisi 1,5 civarındadır. Bu da ışığın cam içinde saniyede 300 bin kilometre değil, 200 bin kilometreye yakın bir hızla ilerlediği anlamına gelir. Yani fiber bağlantıya “ışık hızında iletişim” dediğimizde aslında tam da doğru bir şey söylemiş olmuyoruz. Çünkü mevcut fiber kablolar ışık hızını limitlerine kadar zorlayamıyor.

İçi boş fiber, işte bu nedenle gecikmenin önemli olduğu noktalarda özel bir önem kazanıyor. Zira aynı veriyi karşıya neredeyse yüzde 50 daha hızlı iletme avantajına sahip oluyorsunuz. Üstelik bu durum sadece gecikme süresini azaltmakla kalmıyor, kablonun veri aktarım kapasitesini de aynı oranda artırıyor. Yüksek sinyal kaybı ve zahmetli üretim süreçleri nedeniyle bu tür kabloların yaygınlaşması zaman alacak olsa da, kısa mesafe iletişimde sağladığı hız avantajı bu alana yatırım yapmaya hazır bazı kesimlerin şimdiden ilgisini çekmeye başlamış bile.

Işığa Farklı Açıdan Bakmak

Saç teli inceliğindeki cam tüpün içini boşaltıp üstüne bir de içini iğne oyası gibi işlemek zor diyenler için malzeme yerine ışığa odaklanan bir başka yöntem daha gündemde: Yörüngesel açısal devinim, yani Orbital angular momentum.

Bunun ne demek olduğunu daha iyi anlamak için bu kez kablonun yapısını es geçerek ışığın içeride nasıl yol aldığından kısaca bahsetmekte yarar var. Fiber iletişimde veriyi karşı tarafa belli frekans aralığında bir ışın demeti yollayarak iletirsiniz. Ancak tek bir ışık huzmesinin sadece bir blok veri taşıması gerekmez. Bunun yerine ışın demetini kendi içinde farklı frekanslara ayırarak her bir frekansa farklı bir veri bloğu yerleştirebilirsiniz. Her frekans kendine ait bir şerit gibi hareket eder.

Işık camın kırılma indisinin yüksek olmasından dolayı fiber optik kablonun merkezinde saniyede 300 bin kilometre değil, 200 bin kilometreye yakın bir hızla yol alır. Yani fiber bağlantıya “ışık hızında iletişim” dediğimizde aslında çok da doğru bir şey söylemiş olmuyoruz.

Şu anki ticari sistemler, fiber içinde yol alan ışığın dalga boyunu 160 parçaya kadar ayırıp her parçaya farklı bir veri bloğu yerleştirebiliyor. Böylece bir fiber telinden saniyede 1,6 terabit veri aktarılabiliyor. Bu her biri 6 megabyte yer kaplayan 34 bine yakın şarkının veya 4 GB yer tutacak şekilde yüksek kaliteli kodlanmış 50’ye yakın filmin sadece bir saniyede aktarılması demek. Buna frekans kaydırmalı anahtarlama (frequency shift keying) adı veriliyor.

Fiberoptik kablolar üzerinden taşınan veri miktarını artırmak için kullanılan başka yöntemler de var. Örneğin ışığın şiddetini belli bir düzene bağlı olarak değiştirip bu değişimlerin içine yeni bir veri akışı kodlayabilir (genlik kaydırmalı anahtarlama – amplitude shift keying) veya ışığın fazıyla oynayarak veriyi faz değişimleri eşliğinde aktarabilirsiniz (faz kaydırmalı anahtarlama – phase shift keying). Ancak tüm bunları kullanabilmeniz için uymanız gereken bazı kurallar var. Sınırları fazla zorlayacak olursanız farklı frekanslardaki verilerin birbirine karışmasından veri kaybına kadar, bir dizi istenmeyen duruma neden olabiliyorsunuz.

Yörüngesel açısal devinim kavramı da bu noktada devreye giriyor.

Bu sistem, en kaba şekliyle ışığın yol alırken spiral şeklinde hareket etmesini temel alıyor. Üstelik bu spiral hem saat yönünde, hem saat yönünün tersine limitsiz biçime sahip olabiliyor. Dolayısıyla spiralin şeklini ve yönünü kontrol altında tutacak bir sistem kurgulayabilirseniz, kullandığınız her frekans aralığı için bu sistemi defalarca yeniden tanımlayabilirsiniz. Yoğun trafikte sıkışıp kalmışken hemen yanınızda gideceğiniz yöne doğru mucizevi bir şekilde bomboş bir şerit daha, üstüne bir şerit daha ve bir tane daha açtığınızı, üstelik bunu sonsuz defa yapabildiğinizi düşünün.

İşte yörüngesel açısal devinimi kontrol altında tutabilirseniz, fiberde yaşatacağı etki de yaklaşık olarak buna benzeyecek. Neye benzediğini daha iyi hayal etmek için aşağıdaki videoya göz atabilirsiniz.

Peki bizi durduran ne?

Işığın bu özelliğini kontrol altına almanın zorluğu bir yana, bu tekniği uygulamak da fiber kabloların yeniden tasarlanmasını gerektiriyor. Bu sistemi kullanabilmek için merkeze geleneksel fiberin tersine kırılma indisi düşük, onun etrafına da kırılma indisi yüksek bir madde yerleştirmek zorundasınız. Dahası kırılma indisi merkezdeki maddeyle onun üzerindeki yansıtıcı yüzey arasında değere sahip üçüncü bir katmana ihtiyacınız var. Bu da merkezle yansıtıcı yüzey arasındaki kırılma indisi değerlerinin yüksek bir aralığa sahip olmasını gerektiriyor.

Bu koşulları sağlamanın yolu kablonun ortasını vakumla doldurmak, yani boş bırakmak. İlginç bir şekilde bu aralar fiber kapasitesini artırmaya yönelik tüm çabalar dönüp dolaşıp kablonun içini dolduran camı ortadan kaldırmayı gerektiriyor. Sonuçta yine boş fiberde karşılaşılan sorunla karşılaşıyorsunuz: Yansımalar nedeniyle farklı yörüngesel açısal devinimi olan huzmelerin birbirine karışması, ışık dağılımının kontrol altına alınmasının zorlaşması ve tüm bunlara bağlı olarak da özellikle uzak mesafe veri iletiminde hata oranlarının artması.

Yine de Ars Technica’da yer alan makale şu an bu yöntemin 6 kilometreye kadar etkili olabileceğini ifade ediyor. Kıtalararası veri iletişiminde kullanmak için henüz erken olsa da, yakında bu sistemi veri merkezlerinin iç iletişiminde kullanılırken görebiliriz.

Geleceğe Doğru Adım Adım

Cisco’nun Visual Networking Index araştırmasına göre 2020 yılında internet ağlarına kayıtlı cihaz sayısı dünyadaki insan sayısının üç katına ulaşacak. Günümüzde bir ay içinde internet ağlarında paylaşılan video içeriğini bir kişi baştan sona oturup izlemek isteseydi 5 milyon yıl boyunca ekran başından kalkamazdı. Sadece 15 yılda veri tüketimi 400 milyon kat artan mobil cihazların sayısı sekiz kat artacak. 2020’de aylık tüketim 133 petabyte seviyesine ulaşacak.

Yaklaşan bu gelecek yüzünden tüm dünya veri iletimi konusundaki gelişmelere gözünü dikmiş durumda. Neyse ki teknolojik gelişim de boş durmuyor. Geçtiğimiz yılın Mart ayında Illinois Üniversitesi araştırmacıları fiber üzerinden 57 gigabit hızında veri aktarabildiklerini açıkladı. Dolayısıyla bu alanda yeni gelişmelere imza atarken, mevcut teknolojinin sınırlarını zorlamaya da devam ediyoruz.

Yani biraz daha vaktimiz var. Ama çok değil. Rahatlamaya yetecek kadar hiç değil.

Sizin de bu konuda söyleyecekleriniz mi var?