1. No category

B 14 HELSINGIN SANOMAT PERJANTAINA 5. SYYSKUUTA 2014
PERJANTAINA 5. SYYSKUUTA 2014 HELSINGIN SANOMAT B 15
Tiedetoimitus
Arja Kivipelto, Matti Mielonen,
Timo Paukku
hs.tiede@hs.fi +358 9 122 2568
TIEDE
TIEDE
Tuottaja: Arja Kivipelto A Editointi: Meri Julin A Ulkoasu: Arja Nukarinen A Kuvatoimittaja: Lilli Korhonen
IBM
INTEL
INTEL
INTEL
INTEL
Tiedon jyvät
CULTURE CLUB GET TY IMAGES
Samaan piiriin voi pakata neljäkin laseria. Ne siirtävät
dataa yhdessä valokaapelissa mutta eri aallonpituuksilla.
IBM:n uudella sirulla näkyy rinnan uutta ja vanhaa. Keltaiset kuparijohtimet välittävät sähköä, siniset valoa.
Intelin julkaisemissa kuvissa yllä ja oikealla näkyy piifotoniikan perusosasia. Niitä aletaan pian tehdä sarjana.
Pii ja valo piiskaavat verkon
Valon avulla voi päästä yli sadan gigan huikeisiin siirtonopeuksiin.
Sata gigaa on tuhat kertaa niin nopea kuin
kodin tavallinen siirtonopeus nyt.
huippuvauhtiin
Rooman vakiintuneet olot loivat pohjaa väestönkasvulle.
TROND TROSDAHL
Fotonit tuovat 2020-luvulla
piisirun avulla kotiin dataa
kymmeniä gigatavuja sekunnissa
Timo Paukku HS
”OK, siirrän elokuvat kovalevyl-
lesi. Noin. Tuliko koko tusina?”
”Kyllä. Täällä ovat. Ja näyttäisivät olevan ehjinä.”
Oheinen keskustelu on lähes
näköpiirissä. Kodin internetyhteyksillä voi nyt siirtää dataa
nopeimmillaan noin yhden elokuvan viidessä sekunnissa. Silloinkin kodissa on käytössä gigatavun siirtoyhteys. Yleensä data
siirtyy paljon hitaammin.
Kun piifotoniset laitteet yleistyvät ensi vuosikymmenellä,
2010-luvun internet tuntuu etanalta. Silloin ei ehdi saada lausetta loppuun, kun vastaanottajan päähän on mennyt sekunneissa tuntikaupalla liikkuvaa
kuvaa. Tai jotain ihan muuta.
takeskuksissa, joihin on koottu
tuhansia tietokoneita.
Piifotoniikan avulla saadaan
vähennettyä datakeskusten johtosotkuja ja räkkien rivistöjä,
kun yhä enemmän dataa voidaan ajaa yhdessä ja samassa
valokaapelissa.
Myös datakeskusten virrankulutus vähenee. Tietokoneet
tarvitsevat vähemmän jäähdytystä, ja energiaa säästyy.
Siihen tarvitaan kuusi
perustavaa osaa ja menetelmää:
Kun datakeskusten tiedonkulku on saatu järjestykseen,
aletaan piifotoneja kaupata hiljalleen myös koteihin.
1) Halpa valonlähde
ALKUAINE pii – jota on hiekassa-
Laser alkaa
olla tarpeeksi
halpa.
kin – on mainio puolijohde. Se
johtaa sähköä, ja sen sähkönjohtavuutta voi muunnella. Siksi
mikrosirut on rakennettu piille.
Pii korvasi isot ja hankalat tyhjiöputket jo 1960-luvulla. Nyt
piin päälle yhteen mikroprosessoriin on pakattu enimmillään jo
satoja miljoonia transistoreja.
Mutta myös valo kuljettaa digitaalista dataa nopeasti ja säästeliäästi. Sen tiedämme valokaapeleista.
Kaikki piifotoniikan osaset
ovat valmiina. Seuraavaksi ne
siirretään samalle alustalle ja
sitten sarjatuotantoon.
Joskus tietoa voi tulla eteen
jopa kolmiulotteisena ja silmänräpäyksessä, koska kaistat vetävät niin hyvin. Itse data voi olla
peräisin mistä tahansa päin
maapalloa, koska valon nopeuden takia sijainnilla ei ole merkitystä. Valo kulkee 300 000 kilometriä sekunnissa.
SUOMI ei ole piifotoniikassa jälkijunassa. Aalto-yliopisto yrittää
yhdistää piifotoniikkaan nanoputkia ja grafeenia. Ne parantavat valolla siirrettävän datan
ominaisuuksia.
Eri reseptejä kokeillaan mikroja nanotekniikan laitoksessa Otaniemessä. ”Pii on valon aallonpituuden alueella läpinäkyvää,
toisin kuin sen hapettunut muoto piioksidi”, sanoo piifotoniikan ryhmän johtaja Zhipel Sun.
Tästä syntyy ero, joka vastaa
sähköistä 0/1-tilaa. Sunin ryhmä
kokeilee lasereita sekä nanoputkien ja grafeenin yhdistelmiä.
Sun tuli Aaltoon Cambridgen
huippuyliopistosta vuosi sitten
vetämään piifotoniikan ryhmää.
Hän kehittää hiilen nanoputkia
optisiin sovelluksiin professori
Esko Kauppisen kanssa.
”Grafeeni voisi korvata piifotoniikassa nyt käytetyn alkuaineen
germaniumin, jolla 0/1-tilojen
eroja luodaan”, Sun sanoo.
2) Reititin
Laite, joka
reitittää, jakaa
ja ohjaa valoa
piisirussa.
3) Modulaattori
0
1
0
1
0
0
1
ENSIKSI valo korvaa sähkön da-
Piifotoniikassa fotonit eli valohiukkaset asetetaan kulkemaan
alkuaine piistä tehtyyn pintaan.
Muuntaa annetun datan optiseksi signaaliksi.
Optinen siru
jakaa valon esimerkiksi kahdeksaan osaan.
Modulaatio on kuin liikuttaisi kättä
hyvin nopeasti taskulampun valon
edessä. Valon välkkyminen vastaa
sähköisen piirin 0/1-tilaa.
4) Valon tunnistin
0
1
0
1
2013 maailman
suurin tietokonesirujen valmistaja Intel ilmoitti uudesta merkkipaalusta. Se rikkoi kokeissa
100 gigatavun siirtonopeuden –
sekunnissa.
Temppu onnistui, kun tietotekniikan tutkijat yhdistivät kaksi asiaa: vanhan piin – jolle kaikki mikrosirut on rakennettu – ja
valon.
Piin ja valon yhteydestä syntyy ennen pitkää uusi ja nopea
piifotoninen tietokone. Valon
avulla datan nopeus voi kasvaa
jopa tuhatkertaiseksi nykyisiin
kodin tietokoneisiin ja internetiin verrattuna.
Intelin ohella mukana ovat
muut isot tietokoneyhtiöt, kuten
IBM. Ne ovat kertoneet omista
läpimurroistaan piifotoniikassa.
LOKAKUUSSA
Piifotoniikka
Muuntaa
optisen signaalin tarvittaessa
takaisin sähköisiksi biteiksi eli
tavuiksi.
5) Halpa kokoaminen
Halpa ja massatuotantoon sopiva
menetelmä, jolla piifotoniikan osat
kootaan yhteen.
Elektroniikka,
jonka avulla
piifotoniikkaa
kootaan ja hallitaan sarjatuotannossa.
SI1 2
Timo Paukku HS
MOOREN laki täyttää ensi
vuonna 50 vuotta. Sen keksijä Gordon E. Moore ennusti vuonna 1965, että puolijohteita pakataan kaksinkertainen määrä samaan tilaan aina noin puolentoista
vuoden välein.
Mooren laista on sittemmin luotu eri sovelluksia.
Yksi on Nielsenin laki internetin datansiirron nopeudesta. Sen mukaan datan
kaistaleveys kasvaa 50 prosenttia vuodessa.
Mooren peruslaille on
ennustettu loppua. Sähköä
kuljettava väliaine kupari
näet kuumenee liikaa, jos se
pakataan hyvin pieneen
tilaan. Silloin kuparilta hiipuu nopeus.
Pelastukseksi voisi tulla
valo. Datasta vielä yli 99
prosenttia liikkuu kuparisissa sähköjohteissa. Korvaava
optiikka on vielä kallista.
Mutta joskus valo korvannee kokonaan kuparin.
PIIFOTONIIKKA on nyt sa-
massa vaiheessa kuin tietokoneiden kehittely oli ennen integroitua piiriä. Se
aika oli 1950-luvun loppua.
Ensimmäiset
piifotoniikan ideat esitettiin paperilla
1980-luvulla. Piifotoniikan
suurin haaste oli rakentaa
perustavia osia pieneen
nanokokoon. Nanometri on
metrin miljardisosa.
Jo vuonna 2005 Intelin
tutkijat osoittivat, että piin
ja valon avulla datan siirtonopeus kohoaa kymmeneen
gigaan sekunnissa.
Se on nykyäänkin aika
hurja nopeus. Onnistumiseen tarvittiin eri osasia,
kuten piihin sopiva laser. Ne
kaikki on jo puristettu alle
sadan nanometrin kokoon.
piifotoninen verkko
merkitsee arkielämässä? Televisiokuva tietysti kohenee. Ehkä siitä tulee vaivihkaa kolmiulotteinen.
Nopeita verkkoja tarvitaan, koska datan määrä
kasvaa. Arviolta 90 prosenttia maailman tiedosta ja
datavirroista on tuotettu
kahden edellisen vuoden
aikana, kertoo Samuli Kotilainen Mikrobitti-lehdessä
(07/2014). Suuntaus jatkuu.
MITÄ
PIIFOTONIIKAN vauhti saattaa tuoda jotain, jota emme
osaa edes aavistaa. Ehkä
etäläsnäoloa?
Verkon välityksellä voisi
siirtää aistejaan jonnekin
muualle. Ja ehkä tuntea,
että on irti kehostaan. . .
Tietotekniikan kolmas kumous on ovella
TIMO PAUKKU HS, ML HS, lähde: Intel
Väestöpommi virittyi ajanlaskun alussa
MAAPALLON väestönkasvua on selitetty teollisuuden ja terveydenhuollon kehittymisellä 1700- ja 1800-luvulla. Väestöpommi
virittyi kuitenkin jo ajanlaskun alussa, väittää yhdysvaltalainen
tutkija Aaron Stutz PLOS One -verkkolehdessä.
Väestönkasvua kiihdyttivät poliittisen ja taloudellisen järjestelmän kehittyminen ajanlaskun alussa. Entistä useampi pystyi
perustamaan perheen ja hankkimaan omaisuutta esimerkiksi
Roomassa. Valtaosa roomalaisista tosin eli enintään kolmekymppiseksi kovissa maatöissä, kaivoksissa tai sotilaina. Yhteiskuntaan jäi kuitenkin ylijäämää. Maapallon väestömäärä ylitti miljardin 1800-luvun alussa. Sitten väestö kaksinkertaistui 120 vuodessa. 2020-luvulla ihmisiä on jo kahdeksan miljardia. HS
ALICE AUERSPERG WIENIN YLIOPISTO
Kakadu
suunnitteli
työkalunsa
KAKADUT voivat oppia
toisilta kakaduilta, miten
tehdä puisia työkaluja.
Indonesiassa elävä kakadu
(Cacatua goffini) on utelias
papukaija. Se ei kuitenkaan
käytä työkaluja luonnossa.
Mutta laboratoriossa
Wienissä se osasi paloitella
ohutta puista listaa siten,
että sai siitä työkaluksi
sopivan tikun. Sen avulla
lintu pääsi hakemaan häkin
alareunan kautta pähkinän.
Lintu oli myös roolimalli.
Jos työkalua ei ole, se pitää
Muut linnut oppivat, kuinka
tehdä itse. Ja sitä voi myös kehitehdä työkalu. Oppilaat eivät tellä, tuntuu kakadu tuumaavan.
vain matkineet opettajansa
liikkeitä, vaan ne myös
keksivät uusia keinoja käyttää tikkua. Kakadut pitivät tikkua joko
nokassaan tai kynsissään. Ne myös oppivat lyömään pähkinän
ulos häkistä. Oppilas oli tavallaan kätevämpi kuin opettajansa,
kertoo tohtori Alice Auersperg, joka johti tutkimusta Wienissä.
”Toistamisella ja omaehtoisella muokkaamisella on iso ero”,
sanoo professori Alex Kacelnik Oxfordin yliopiston eläintieteen
osastosta. Tutkimus ilmestyi Royal Societyn julkaisusarjassa B.
HS
1971
Mikropiiri. Tietokoneen keskusyksikkö saatiin koottua pieneen tilaan piisirulle. Siihen voitiin pakata tuhansia transistoreita. Mikropiiri mahdollisti nopeat, halvat ja pienet tietokoneet.
1970-luku
6) Hallinta
Piifotoniikan ryhmä kokeilee uusia reseptejä nopeaan internetiin Aalto-yliopistossa. Lasereita, nanoputkia
ja grafeeneja ”kokataan” Zhipel Sunin johdolla.
Mooren laki jyllää yhä
Valokuitu. Se mahdollisti nopeat datayhteydet ja tehokkaan
internetin.
2020-luku
Piifotoniikka. Optiikka ja valo korvaavat ennen pitkää
sähkönjohtimet mikropiireissä ja transistoreissa. Yli sadan
gigatavun tiedonsiirrosta sekunnissa tulee arkipäivää.
Astronauttien kuukompuroinnille syy
HEIKOSSA painovoimassa voi jopa pystyssä pysytteleminen olla
hankalaa. Tutkijat ovat nyt määrittäneet, kuinka voimakas
painovoiman pitää olla, jotta Maan pinnalla varttunut tuntee
olonsa luontevaksi. Raja on noin 15 prosenttia Maan painovoimasta. Yhdysvaltaiset astronautit kompuroivat aikoinaan Kuussa, jonka painovoima on noin runsaat 16 prosenttia Maasta.
Kanadalaisen Yorkin yliopiston tutkijat Laurence Harris ja
Michael Jenkin arvioivat verkkolehti PLOS Onessa, että heikko
painovoima ei viestitä ihmisen tasapainoaistille riittävän selkeästi, mikä on ylhäällä ja mikä alhaalla. Se voi vaikeuttaa esimerkiksi avaruusaluksen kytkimien käyttämistä, jos vaara uhkaa.
Marsin painovoima on 38 prosenttia Maan painovoimasta. Sen
pitäisi tuntua astronauteista vielä luontevalta. HS
SI1 2