Petabit-netwerk: wat het betekent als data-infrastructuur naar de volgende schaal springt
Stel je een snelweg voor met maar één rijstrook, waarover al het verkeer van een hele regio moet rijden. Hoe hard de auto's ook mogen rijden, op een gegeven moment loopt het vast. Zoiets speelt ook bij internetverkeer: de hoeveelheid data die wereldwijd wordt verstuurd groeit razendsnel, en de glasvezelkabels die dat verkeer vervoeren moeten steeds meer aankunnen. Een petabit-netwerk is een verbinding of netwerk die is ontworpen voor duizelingwekkende datasnelheden: een petabit is duizend terabit, oftewel ongeveer een miljoen gigabit per seconde.
Om een idee te geven: bij een snelheid van één petabit per seconde zou je in een paar seconden alle afleveringen van alle series die ooit zijn uitgezonden kunnen versturen. Onderzoekers experimenteren niet met dit soort snelheden omdat consumenten morgen thuis zo'n verbinding krijgen, maar omdat de ruggengraat van het internet - de dikke kabels tussen datacenters, steden en continenten - dit soort capaciteit op termijn nodig heeft om de groei van clouddiensten, video en kunstmatige intelligentie bij te benen.
Wat is het precies?
Gewone glasvezel werkt met lichtpulsjes die door een dunne glaskern (de core) worden gestuurd. Om meer data door één vezel te persen, gebruiken netwerken al decennia een truc die wavelength division multiplexing (WDM) heet: in plaats van één kleur licht sturen ze tientallen tot honderden verschillende golflengtes - kleuren die het oog niet kan onderscheiden - tegelijk door dezelfde vezel. Elke kleur draagt zijn eigen datastroom, zoals verschillende radiozenders die naast elkaar uitzenden zonder elkaar te storen.
Dat trucje heeft echter een fysieke grens. Als je te veel licht met te veel verschillende golflengtes door één glaskern stuurt, gaat het licht zelf de verbinding verstoren door niet-lineaire effecten in het materiaal - vergelijkbaar met geluidsvervorming als een geluidsinstallatie te hard wordt opengedraaid. Onderzoekers noemen dit de naderende capacity crunch: de theoretische bovengrens van een enkele glasvezelkern.
Om die grens te doorbreken, wordt niet gezocht naar 'harder' maar naar 'breder': space division multiplexing (SDM), oftewel ruimteverdeling. In plaats van één lichtpad per vezel, maakt men vezels met meerdere glaskernen naast elkaar in dezelfde beschermende mantel (multi-core fiber), of vezels die meerdere lichtpatronen tegelijk door één dikkere kern laten reizen (multi-mode fiber). Het is te vergelijken met het bijbouwen van extra rijstroken op diezelfde snelweg, in plaats van het opvoeren van de maximumsnelheid.
Door SDM te combineren met WDM - dus meerdere kernen, en in elke kern weer tientallen kleuren licht - kunnen laboratoria de totale capaciteit van één vezelstreng opstuwen tot ver boven de petabit-per-seconde-grens. Dat vraagt wel om nieuwe apparatuur: speciale versterkers die alle kernen tegelijk kunnen versterken, nieuwe connectoren om de vezels foutloos aan elkaar te lassen, en zwaardere signaalverwerking om alle datastromen weer te ontwarren aan de ontvangende kant.
Er bestaat ook een tweede, verwante betekenis van 'petabit-netwerk': niet één vezel die een petabit haalt, maar een heel netwerk - bijvoorbeeld de interne bekabeling van een datacenter - waarvan de opgetelde capaciteit van duizenden verbindingen samen in de petabit-schaal uitkomt. Dat is technisch een ander vraagstuk (schakelen en routeren in plaats van optische transmissie), maar wordt in de praktijk vaak met dezelfde term aangeduid.
Wat wil men ermee bereiken?
De directe aanleiding is simpel: internetverkeer verdubbelt ruwweg elke paar jaar, aangejaagd door videostreaming, cloudopslag, en recent ook door het trainen en gebruiken van AI-modellen, die enorme hoeveelheden data tussen servers heen en weer sturen. Datacenters van bedrijven als Google, Microsoft en Meta hebben inmiddels interne netwerken nodig die net zoveel capaciteit verwerken als vroeger complete landelijke telecomnetwerken.
Een tweede motivatie is economisch en praktisch. Het aanleggen van nieuwe kabeltracés - vooral onder de zeebodem - is enorm duur: honderden miljoenen euro's per onderzeese kabel. Als je de capaciteit per vezelstreng kunt vertienvoudigen zonder nieuwe kabels te hoeven leggen, daalt de kostprijs per verstuurd bit sterk. Dat is aantrekkelijk voor telecombedrijven en cloudproviders die de groeiende vraag moeten bijbenen zonder de kosten evenredig te laten meestijgen.
Een derde doel is energie-efficiëntie. Elk bit dat wordt verstuurd, verzonden en verwerkt, kost stroom. Naarmate datacenters en netwerken groter worden, wordt het energieverbruik per bit een steeds belangrijkere ontwerpeis - niet alleen uit kostenoverwegingen, maar ook vanwege klimaatdoelstellingen van de sector.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Japanse onderzoeksinstituut NICT (National Institute of Information and Communications Technology) geldt al meer dan tien jaar als koploper in dit veld. In 2012 demonstreerde NICT, samen met kabelfabrikant Sumitomo Electric, een transmissie van iets meer dan 1 petabit per seconde over een proefvezel met twaalf kernen naast elkaar, over een afstand van ongeveer 52 kilometer. Het was destijds de eerste keer dat de petabit-grens in een laboratoriumopstelling werd doorbroken.
In de jaren daarna volgden nieuwe records met vezels met nog meer kernen (tot enkele tientallen) en met combinaties van multi-core- en multi-mode-technieken, telkens net op de rand van wat de meetapparatuur van dat moment aankon. Een belangrijke vervolgstap was het behalen van hoge capaciteiten met vezels die dezelfde buitendiameter hebben als standaardvezel - relevant omdat dat betekent dat bestaande kabelbuizen en installatieapparatuur in theorie hergebruikt kunnen worden.
Op datacenterschaal is Google's Jupiter-netwerkfabric een veelgenoemd voorbeeld: in publicaties over opeenvolgende generaties van dit interne datacenternetwerk beschrijft Google totale doorvoercapaciteiten die in de petabit-per-seconde-orde liggen, verdeeld over duizenden schakelaars en verbindingen tussen serverrekken.
Bij onderzeese kabels is de trend zichtbaar in projecten als Google's Dunant-kabel (in gebruik genomen in 2021, tussen de VS en Frankrijk) en de 2Africa-kabel waarin onder meer Meta investeert (aanleg gestart in de vroege jaren 2020, gefaseerd in gebruik genomen). Deze kabels bereiken met meerdere vezelparen en geavanceerde modulatietechnieken gezamenlijke ontwerpcapaciteiten van enkele honderden terabit per seconde - dus nog niet op de schaal van een petabit per kabel, maar wel duidelijk die kant op bewegend naarmate meer vezelparen en efficiëntere versterkers worden toegepast.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen laboratoriumrecords en praktijkinzet. De petabit-transmissies van NICT en vergelijkbare instituten zijn stuk voor stuk demonstraties onder gecontroleerde omstandigheden, over relatief korte afstanden van enkele tientallen tot hooguit een paar honderd kilometer - niet over de duizenden kilometers die een onderzeese kabel moet overbruggen. Elk nieuw record gaat vaak gepaard met een compromis: meer capaciteit, maar over een kortere afstand, of met apparatuur die nog niet commercieel beschikbaar is.
De belangrijkste technische obstakels zijn: het ontwikkelen van versterkers die tegelijk alle kernen van een multi-core vezel kunnen versterken zonder dat kernen elkaar storen (crosstalk), het betaalbaar produceren van speciale vezels op industriële schaal, en het ontwikkelen van compacte, energiezuinige signaalverwerkingschips die de enorme hoeveelheden parallelle data weer kunnen ontrafelen. Ook is er nog geen wereldwijde standaardisatie van multi-core-connectoren, wat grootschalige, onderling compatibele uitrol bemoeilijkt.
Op datacenterschaal ligt de situatie anders: petabit-schaal netwerkfabrics dráaien al, bij de grote clouddienstverleners, omdat daar het probleem vooral schakel- en routeringstechniek is en minder de fysieke grens van een enkele glasvezelkern. Voor de 'ruggengraat' van het internet en onderzeese verbindingen blijft petabit-per-vezel echter nog altijd onderzoek in ontwikkeling: commerciële uitrol van multi-core glasvezel op grote schaal heeft, voor zover bekend, nog niet plaatsgevonden. De sector rekent op geleidelijke invoering in de loop van dit decennium, maar exacte tijdpaden zijn onzeker en hangen sterk af van kostendaling in productie en apparatuur.
Wie werken eraan?
Japan speelt van oudsher een voortrekkersrol: naast NICT zijn telecombedrijf NTT en onderzoekslab KDDI Research actief betrokken bij transmissie-experimenten, terwijl fabrikanten als Sumitomo Electric en Fujikura de gespecialiseerde multi-core vezels produceren die daarvoor nodig zijn.
In Europa is de Optoelectronics Research Centre (ORC) van de Universiteit van Southampton een belangrijk academisch centrum voor onderzoek naar space-division multiplexing en geavanceerde glasvezeltechnologie. Ook Nokia Bell Labs publiceert regelmatig over transmissietechnieken met hoge capaciteit.
De grote Amerikaanse clouddienstverleners - Google, Microsoft en Meta - zijn vooral drijvende krachten achter petabit-schaal datacenternetwerken en investeren daarnaast fors in onderzeese kabels om hun eigen wereldwijde datacenterverkeer te faciliteren. In China doen onder meer Huawei en instituten verbonden aan de Chinese Academie van Wetenschappen onderzoek naar hogecapaciteitstransmissie, al is over specifieke records uit dat land minder in internationale vakliteratuur gepubliceerd dan over de Japanse resultaten.
Internationale standaardisatie-organisaties zoals de ITU (International Telecommunication Union) volgen deze ontwikkelingen, maar formele standaarden voor multi-core glasvezel en de bijbehorende apparatuur zijn nog in een pril stadium - een teken dat de techniek de onderzoeksfase nog niet volledig is ontgroeid.