Telekomunikacja wkracza już dziś we wszystkie dziedziny naszego życia - do domu, do biura, korzystamy z niej w czasie podróży. Pojawia się coraz częściej i to w coraz innych postaciach - takich jak telefony (normalne, bezprzewodowe i komórkowe), komputery z modemami, poczta elektroniczna (zwykła i głosowa), telefaksy, wideokonferencje i wiele innych.

Tak gwałtowny wzrost usług telekomunikacyjnych wynika z przyspieszenia postępu technicznego. Zapewne nie raz jeszcze będziemy świadkami kolejnych przełomów technologicznych, takich jakimi były niedawne skonstruowanie tranzystora czy opracowanie technologii światłowodowej.

Podstawowe technologie

Systemy informacyjne, dzisiaj i jutro, wykorzystują i będą wykorzystywać podstawowe technologie w takich dziedzinach jak:

- mikroelektronika - obwody scalone o gwałtownie rosnących możliwościach przechowywania i przetwarzania informacji

- fotonika czyli technika światłowodowa, dająca olbrzymie możliwości przesyłania informacji w postaci impulsów świetlnych propagujących się w światłowodach

- oprogramowanie, które zaprzęga siły mikroelektroniki i fotoniki do budowy systemów spełniających miliony wyspecjalizowanych funkcji.

Mikroelektronika

Jedną z miar postępu tej technologii jest zwiększająca się liczba elementów, jakie możemy upakować na płytce krzemu. Liczba ta podwaja się mniej więcej co 18 miesięcy. Do roku 2010 proces ten osiągnie nasycenie i pojedyncze układy scalone pamięci będą mieściły kilka miliardów ściśle upakowanych elementów. Typowe układy logiczne będą zawierać prawdopodobnie od 10 mln do 1 mld elementów.

Charakteryzują one tzw. mikroelektronikę konwencjonalną, w której pojedynczy tranzystor będzie mierzył 400x400 atomów. Następną granicę rozwoju wytyczy prawdopodobnie "nowa" elektronika. Może to być technologia oparta na urządzeniach złożonych z pojedynczych elektronów oraz tranzystorach balistycznych, których zachowanie opisane jest prawami fizyki kwantowej. Urządzenia te mogą zacząć wypierać mikroelektronikę konwencjonalną ok. r. 2010.

Fotonika

Miarą postępu tej technologii są możliwości transmisji świetlnej mierzone szybkością przesyłania informacji oraz odległością, jaką sygnał świetlny może przebyć bez konieczności regeneracji lub wzmocnienia. Możliwości te podwajały się co rok przez ostatnie 10 lat i tendencja ta zostanie utrzymana, zanim nie osiągnie znanych obecnie granic fizycznych. Aktualnie najbardziej zaawansowane systemy światłowodowe wykorzystują zaledwie 0,1% fizycznych możliwości tej technologii co wcale nie oznacza małej szybkości transmisji (2,5 Gb/s). Tysiąckrotny postęp przesunąłby nas w okolice Tb/s, co w roku 2010 może być akurat w sam raz, mając na uwadze przewidywane potrzeby transmisji danych wideo, ruchomych, wysokiej jakości i trójwymiarowych.

Wzmacniacze optyczne

Transmisje fotoniczne rozwinęły się w kierunku stosowania wzmacniaczy optycznych, które wykorzystują światło do sterowania wzmacniaczami słabych sygnałów optycznych. Wzmacniacze te eliminują obecną konieczność stosowania bardzo szybkiej elektroniki regenerującej sygnały. W przyszłości jeden wzmacniacz będzie mógł wzmacniać sygnały przesyłane z wieloma różnymi częstotliwościami (w postaci impulsów świetlnych o różnej barwie). Jest to szczególnie ważne dla systemów zwiększających pojemność przesyłową przez multipleksowanie z podziałem długości fal. Wzmacniacze optyczne umożliwią transoceaniczne połączenia światłowodowe, bez konieczności stosowania tradycyjnych wzmacniaczy.

Idąc w tym kierunku, w maju 1992 r., AT&T oraz KDD, japońska firma telekomunikacyjna, wypróbowały z powodzeniem w warunkach laboratoryjnych jeden z najdłuższych na świecie optycznie wzmacniany system światłowodowy. Obie firmy połączyły w Laboratorium Bella dwa niezależnie zbudowane stanowiska testowe, każde z systemem światłowodów o długości 4,5 tys. km. Uzyskany w ten sposób próbny system długości 9 tys. km jest odpowiednikiem najdłuższej na świecie transoceanicznej trasy kablowej i działa bez błędów z szybkością transmisji 5 Gb/s. Jest to prawie 10 razy szybciej niż TAT-9, transatlantycki system światłowodowy, który pracuje od marca 1992 r. Przy szybkości 5 Gb/s system mógłby przesłać tekst zawarty w całej 30-tomowej Encyklopedii Britannica w czasie krótszym od 1 s. Zdolności systemu są równoważne 320 tys. jednoczesnych transmisji głosowych w jednej parze włókien światłowodowych. Ostatnio Laboratorium Bella i KDD ogłosiły, że szybkość transmisji bez błędów osiągana przez ten zestaw próbny została podwyższona do 10 Gb/s przy zachowaniu tej samej długości światłowodu - 9 tys. km.

Wzmacniacze optyczne pomogą zwiększyć pojemność i obniżyć koszt przyszłych kabli. Pod koniec dekady na dnie oceanów będzie znajdowało się ponad milion obwodów głosowych. Na przykład system kablowy TAT-11, łączący USA z Francją i W. Brytanią będzie uruchomiony jeszcze w tym roku. TAT-12 będzie pierwszym systemem transatlantyckim, tworzącym zamkniętą pętlę, która w 1996 r. połączy te same kraje. Sieć ta, wyposażona we wzmacniacze optyczne będzie pracować z prędkością 5 Gb/s.

Poziomy funkcjonalności

Trend funkcjonalności w fotonice znacznie wykroczył poza funkcje generacji i transmisji danych, gdzie technologia odgrywała spektakularną rolę. Obecnie kluczową rolę dla funkcji logicznych w fotonice zaczyna odgrywać sterowanie światła, światłem.

Tendencja ta silnie utrwali się w 2010 r. i fotoniczne funkcje logiczne będą stanowiły niezależny świat. Na razie sterujemy światłem przeważnie w taki sposób, w jaki klucz telegraficzny sterował prądem elektrycznym. Podobnie jak wcześniejsza generacja mechanicznych urządzeń regulowała sygnały elektryczne w przypadku telegrafii, tak obecnie używa się elektroniki do modulowania światła. Próżniowa lampa elektronowa pozwoliła w końcu sterować elektronami za pomocą elektronów, co zmniejszyło rolę klucza telegraficznego. Dzisiaj naukowcy Bell Laboratories badają drogi, które mają doprowadzić do sterowania fotonami za pomocą fotonów.

Jedna z tych dróg doprowadziła już do skonstruowania urządzeń wykorzystujących zjawisko powielania foto- elektronicznego, zwanych SEED-ami. Chociaż elementy te nie sterują bezpośrednio światłem za pomocą światła, to jednak osiągnięto w nich takie zespolenie zjawisk elektronicznych i fotonicznych, że granica między tymi dwiema technologiami jest niewyraźna. SEED-y są awangardą zastosowań inżynierskich mechaniki kwantowej co oznacza, że budowa struktur i przeprowadzanie procesów fizycznych odbywa się na poziomie atomowym. Udało się więc uwolnić od tradycyjnych elementów elektroniki - przewodów, elementów dyskretnych, stosunkowo dużych mocy zyskując wiele korzyści związanych ze sterowaniem światłem za pomocą światła. SEED-y nazwano już tranzystorami optycznymi, co przypomina historyczne porównanie do lampy elektronowej.

Obecna szybkość postępu pozwala przypuszczać, że fotoniczne układy scalone wykażą wkrótce lepsze właściwości w wielu zastosowaniach niż elektroniczne układy scalone. Można już sobie wyobrazić, że komputery fotoniczne będą wykorzystywane np. do rozpoznawania kształtów, przetwarzania mowy i obrazów. Zamiast rozwiązywać kolejno skomplikowane problemy będą pracowały nad nimi równolegle, rozwiązując jednocześnie milion lub więcej zadań. Ocenia się, że komputery fotoniczne o równoległej architekturze będą tysiąc razy silniejsze od najpotężniejszych współczesnych komputerów elektronicznych.

Oprogramowanie

Dziś problemem w tej dziedzinie jest, jak podnieść wydajność tworzenia programów i ich jakość, aby zadowolić gwałtownie rosnący popyt na oprogramowanie. Można przewidzieć, że w 1995 r. dla niektórych typów programów na jednego programistę będzie przypadać od 5-50 tys. wierszy kodu źródłowego bez komentarza. Wzrost ten będzie związany głównie z udoskonaleniem procesów oraz wielokrotnym stosowaniem złożonych modułów. Tak duże różnice są wynikiem kilku czynników:

- umiejętności pracowników mogą się zmienić o współczynnik od 25-1

- stopień komplikacji może się zmienić o współczynnik od 10- 1

- współpraca z klientami może się zmienić o współczynnik od 2-1.

Ale nawet biorąc pod uwagę te zmiany, wydajność pisania programów wzrosła o tzw. współczynnik ekspansji. Jest to liczba instrukcji maszynowych przypadająca na jeden wiersz kodu źródłowego napisanego przez programistę. Współczynnik ekspansji jest wynikiem ulepszeń języków, narzędzi, środowiska programowania, procesów i wielokrotnego ich stosowania. Połączone mogą dać potencjalnie wzrost szybkości pisania kodu o rząd wielkości co 20 lat. Jednak organizacje powinny być przygotowane na inwestowanie zarówno w szkolenie, jak i w sprzęt, aby dotrzymać kroku wiodącym firmom software'owym. Te, które się na to zdecydowały, osiągnęły 12% roczny wzrost wydajności.

Wynikiem tej tendencji będzie uzyskanie całkowicie odmiennego oprogramowania, co zaowocuje przejściem tradycyjnych programistów do innych zadań. Produkcja programów będzie zautomatyzowana, podobnie jak obecne wspomagane komputerowo projektowanie układów scalonych.

Pozostałe zadania programistyczne zostaną mocno skoncentrowane na pracy nad procesami: zwiększania dyscypliny w tworzeniu platform software'owych oraz stwarzania popytu na nowe technologie, takie jak oprogramowanie dla systemów fotonicznych - programów, które będą zdolne do pełnego spożytkowania zdolności komputerów fotonicznych do równoległego przetwarzania. Co więcej, dosłownie całe oprogramowanie telekomunikacyjne będzie nastawione na grupowe przetwarzanie komputerowe. Środowiskiem dla tego oprogramowania będą komputery o architekturze równoległej, obdarzone możliwością samodzielnego wykrywania błędów.

Podsumowując, podstawowe technologie telekomunikacji: elektronika, fotonika i oprogramowanie pójdą zdecydowanie do przodu w stosunku do dzisiejszych możliwości. Masowe technologie elektroniczne osiągną dojrzałość prawdopodobnie za dziesięć lat, ale fotonika i oprogramowanie mają jeszcze przed sobą przynajmniej dwie dekady rozwoju.

cdn.

(opr. Na podstawie wykładu, który wygłosił wiceprezydent Quality, Technology and Process Research, AT&T Bell Laboratories Donald J. Leonard, w Warszawie w czasie seminarium "Spotkanie z przyszłością")