Эффективность передачи бита

Свою инженерную карьеру я начал в начале 1980-х годов в качестве разработчика в компании, которая производила модемы. Это было удивительное время, когда Интернет рос как на дрожжах, персональные компьютеры были в состоянии умопомрачительного дебюта. В те дни цена модема была сравнима с ценой золота — около US$ 1 за бит в секунду. Это значит, что если вы хотели модем со скоростью 9 600 бод (сегодня это музейный экспонат), то приготовьте около US$ 10 000. Доходность в разы.

Модемы тех дней размещались в стойке на шасси (пользовательского модема еще не существовало) и включали в себя сотни логических устройств 74 серии вместе с дискретными аналоговыми фильтрами, модуляторами, демодуляторами и управление каналами, изготовленного на операционных усилителях и транзисторах. Ящик весил около 20 фунтов требовал гигантского запаса мощности в 50 Вт. Мало того, что эти ранние модемы были дорогими, они были очень неэффективными при передаче битов с точки зрения потребления электроэнергии.

За последние 25 лет всё значительно улучшилось. В каждой семье есть множество высокопроизводительных персональных компьютеров или игровых приставок, объединённых высокоскоростной, более 100 Мбит, сетью на не экранированной витой паре Ethernet (UTP) или даже беспроводной точкой доступа 802.11. Сеть обычно управляется коммутатором пакетов Ethernet и через маршрутизатор/брандмауэр подключена к интернету кабельный модемом, со скоростью свыше 10 Мбит.

Но как нам сравним современные, новые и доисторические коммуникационные технологии. Как мы поймём, насколько одна технология или устройство передачи информации эффективней другой технологии или другого устройства? Уравнение 1 (Equation 1) дает простую формулу метрики, которая именно это и позволяет сделать. Здесь P — мощность в ваттах, f_b — скорость передачи данных в битах за секунду. Переменная «ch» — это количество каналов в системе или устройстве, для приведения результат к одному каналу. В результате эффективность передачи данных e_b получаем в джоулях на бит (Дж/бит).

Это уравнение учитывает всё: и кодирование, и обработку сигналов, при этом позволяет сравнивать, насколько хороша технология (система или устройство) с точки зрения энергопотребления при передачи данных с допустимым уровнем ошибки (т.е. частотой появления ошибочных битов или BER менее 10-12). Если вы хотите учесть расстояние, на которое передаются данные, то просто разделить уравнение 1 на это расстояние (в метрах) и результат будет в Джоулях на битометр (Дж/бит*м), как показано в уравнении 2 (Equation 2).

Будем использовать уравнение 2 для расчета эффективности этого старого модема, с которым я работал в 1980-х годах. Он был способен передавать 9 600 бит в секунду на расстояние более 15 000 футов (4 572 метров), потребляя около 50 ватт. При этом эффективность передачи данных 1,14 микроДжоулей на битометр. Таким образом, каждый бит требует примерно 1,14 мкДж энергии для своего перемещения из моего офиса в телекоммуникационный центральный офис на 3 мили (в худшем случае). Если телефонный коммутатор находился в офисном здании по соседству (1 000 футов), то это число доходит до 17,1 мкДж/битометр. Сравните это с современной спецификациями Data Over Cable Interface (DOCSIS) кабельного модема, который потребляет около 5 ватт для передачи на такое же расстояние (с помощью коаксиального кабеля) и передаёт до 43 Мбит (с использованием 256 QAM) ошибки данных. Это соответствует эффективности передачи данных 25,4 пико^એДжоулей на битометр. То есть многократное повышение эффективности передачи более чем в 40 000 раз по сравнению с модемом старой конструкции — удивительное достижение.

В следующий раз я подробно расскажу об эффективности передачи данных, и мы рассмотрим шинную архитектуру и технологии интерфейса. Если у вас есть какие-либо мысли (согласен/не согласен/не волнует), пожалуйста, напишите комментарий прямо здесь в блоге! Спасибо за время, потраченное на чтение и надеюсь скоро вас услышать!

Источник перевода: The Efficiency of Moving Bits