ハードドライブを満載したトラック、その「インターネット速度」は光ファイバーより速い？しかし時代は変わったのです！

何年も経って、20MB/秒のネットワーク速度に直面し、私は幼なじみがゲームを USB ドライブにコピーした午後のことを思い出しました。

皆さんが子供の頃に私と同じような経験をしたかどうかは分かりません。自宅のインターネット速度が非常に遅く、ゲームや映画のダウンロードに非常に時間がかかり、一晩中オンライン状態にならなければならなかったからです。ネットワークが不安定な場合は、ダウンロードを複数日に分けて行う必要がある場合があります。

実は、もう一つ選択肢があります。隣人やクラスメートのコンピューターにこのゲームのインストール パッケージが保存されている場合は、USB フラッシュ ドライブをその人の家に持って行き、ゲームをコピーすることができます。データを手動で移動すると、インターネットからダウンロードするよりも速くなる場合があります。

私が子供の頃、自宅のインターネット速度は 200kB/s 程度で、1GB のゲーム インストール パッケージをダウンロードするのに約 2000 秒、つまり 1 時間半近くかかったことを覚えています。しかし、隣人がこのインストール パッケージを持っている場合は、そこに行ってゲームをコピーし直すことができ、全体のプロセスは 10 分もかからないかもしれません。

ダイヤルアップからブロードバンド、そして現在の光ファイバー接続まで、インターネットの速度は数桁も向上しました。しかし、今日では、データを物理的に移動することには、ネットワーク ケーブルよりもまだ利点があるのでしょうか?

地図：王游;出典: pixabay

大まかな分析では、おそらくそうだろうと思われます。私自身を例に挙げてみましょう。私は毎日、パソコンを持って自転車で通勤しています。片道の所要時間は約30分です。私のコンピューターには約 700GB のデータがあり、データ転送速度は約 400MB/秒です。比較すると、通常のインターネット速度は一般的に 20MB/秒に過ぎず、これは物理的なデータ転送速度が有線ネットワークの 20 倍であることを意味します。仕事に行くときにバックパックにハードドライブを数台追加したり、自転車をもっと速く走らせたりすれば、データ転送速度はさらに速くなります。

ハードドライブを積んだトラックが高速道路を猛スピードで走るのは、人間がデータを転送する最も速い方法の 1 つだということを聞いたことがあるかもしれません。しかし、光ファイバーによるデータ伝送速度も常に向上しており、今日のデータ伝送速度は想像を超えるものかもしれません。では、データを移動させる競争では、トラックと光ファイバーのどちらが優れているのでしょうか?

超高速ファイバー

今年6月、日本の情報通信研究機構（NICT）は、既存の商用シングルモード光ファイバー上で、光ファイバーで達成された史上最速となる402Tbps（1バイト＝8ビット、50.25TB/s）のデータ伝送速度の達成に成功したと発表した。この記録は、これまでのシングルモード光ファイバー伝送記録よりも 35% 高速です。

光ファイバー伝送はどうやってこんなに高速化できるのでしょうか?ここで、情報理論の創始者であるクロード・シャノンについてお話しします。 1948 年に彼は論文によって情報理論と呼ばれる分野を創設しました。この論文で、シャノンは情報伝達速度の式C=B∙log₂(1+S/N)を提案しました。このうち、C は情報伝送の理論上の上限速度、B はヘルツ単位のチャネル帯域幅、S/N は信号強度とノイズ強度の比です。したがって、情報伝送を高速化したい場合は、チャネル帯域幅を増やすと同時に信号対雑音比を高める必要があります。

この式を理解するために、まず私が使用している Wi-Fi から始めましょう。

私のネットワーク情報

現在使用しているWi-Fi信号周波数は5GHz、帯域幅は80MHzなので、式のBは80×10⁶s⁻¹となります。コンピュータがルータから受信する信号電力強度 (RSSI) は -55dBm、ノイズ強度は -90dBm です。 （dBmは対数電力単位で、1mWに対する信号強度レベルを表します。信号が10dBm増加するごとに、信号電力は元の10倍になります。たとえば、0dBmは電力強度1mWに相当し、10dBmは電力10mWに相当し、-10dBmは電力0.1mWに相当します。）このようにして、信号対雑音比S/N=10^(3.5)を計算できます。

すると、理論的には、コンピュータとルーター間の情報伝送速度の上限 C は 924Mbps であると計算できます。ただし、実際の状況は、Wi-Fi エンコード モード、コンピューターのパフォーマンス、ルーターのパフォーマンスなど、多くの条件によって制限され、コンピューターとルーター間の通信はこの速度に到達できません。

もちろん、これはコンピューターとルーター間の通信にすぎません。インターネット速度の最大の制限は、会社のオフィスがネットワーク オペレーターに支払う金額です...

オフィスのインターネット速度テストの結果。 ‍‍‍

国立研究開発法人情報通信研究機構の最新の研究成果に戻ると、光ファイバーネットワークの情報伝送能力を高めるために、通信原理から始めて、通信帯域幅を増やし、信号強度を改善しました。

光ファイバーは、異なる波長の光に対して異なる伝送効率を持ちます。光ファイバーは、伝送効率の高い波長でのみ光信号をより良く伝送できます。光の場合、特定の波長範囲は特定の周波数範囲、つまり帯域幅に対応します。研究チームによると、光ファイバー内の低損失伝送帯域幅をすべて利用したという。合計37.6THzで、これは光ファイバーにふさわしく、無線信号の80MHzよりもはるかに広い帯域幅だ。

同時に、信号強度を高めて信号伝送能力を向上させるために、異なる帯域で6つの光ファイバー信号増幅器も設計し、最終的に402Tbps、つまり毎秒50TBの伝送速度を達成しました。

伝送システムの概略図。画像出典：NICT

この速度は何を意味するのでしょうか?市販されている最大のハードディスク単体の容量は約20TBで、最速の光ファイバーは1秒あたり大容量ハードディスク2.5台分の容量を伝送できることになります。

トラックが光ファイバーよりも速くデータを移動したい場合、同じ時間内により多くのハードドライブを移動する必要があります。さらに、トラックは通常、ハードドライブをそれほど速く輸送しません。一般的な作業の場合、ハード ドライブを分解して組み立て、トラックを道路上で運転するのに必要な合計時間は、少なくとも 1 日、つまり 86,400 秒です。

この 86,400 秒間、光ファイバーは理論上、1 秒あたりハードディスク 2.5 台の速度でデータを連続的に送信することができ、送信されるデータの総量はハードディスク 216,000 台分に相当します。したがって、トラックで一度に輸送されるハードディスクの数が 216,000 台を超えた場合にのみ、その情報伝送速度は光ファイバーよりも速くなります。

大容量の大型ハードドライブの質量は約 700 グラムですが、輸送中の振動によりハードドライブが損傷する可能性があるため、輸送中は衝撃に強い梱包が必要です。大まかに見積もると、耐衝撃梱包されたハードディスク 1 台あたりの重量は 1 kg になります。すると、216,000 台のハードドライブの合計質量は 216 トンになります。我が国のトラックの重量制限は49トンです。当然ですが、積載量が 216 トンのトラックが道路を走行することは通常違法です。

言い換えれば、現在世界で最も速くデータを送信する方法は、ハードドライブを満載したトラックではなく、光ファイバーです。

経済的利益

しかし、実用的な観点から見ると、今日でも物理的な情報伝送の余地は大きく残されています。

光ファイバーの最大速度は、研究室またはオペレータ ネットワークのバックボーン ノードでのみ実現できます。これらの光ファイバーを使用してデータを送信するのは非常に高価です。さらに、多くの場合、単一の光ファイバーを使用してデータを送信することはコスト効率が良くありません。私のインターネット速度と同様に、これは物理的な限界を反映するものではなく、限られた資金のみを反映しています。

最も典型的な例はブラックホールの写真です。 2019年、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）は、世界中に分散した8台のミリ波・サブミリ波電波望遠鏡を使用して撮影されたブラックホールの写真を世界で初めて公開しました。生の観測データの量は4PB（1PB=1024TB）にも及びます。データを一緒に処理する必要がありますが、望遠鏡とデータセンター間のネットワーク速度が十分ではありません。データをまとめて処理するには、データがいっぱいになったハードドライブをデータセンターに直接送るのが最も速い方法です。天文学者はインターネットがもっと速くなることを望んでいるのではないでしょうか?もちろん彼らはそうしたいと思っていますが、バックボーン ネットワークを構築するコストは高額すぎて、彼らには負担が及びません。

しかし、技術の発展に伴い、有線ネットワークの費用対効果も向上しています。 2016年、Amazonはトラックを使用してデータを転送するSnowmobileサービスを開始しました。これはハード ドライブを満載した 18 輪の大型トラックで、各トラックの容量は 100PB です。しかし2018年には、トラックの使用コストが高すぎるため、有線ネットワークを使用してデータを送信する方が手頃な選択肢になるかもしれないと主張する企業もあった。今年4月、Amazonはこのプロジェクトを中止した。

しかし同時に、Amazon は、スーツケースほどの大きさで重さ 22 キログラム、最大 210 TB のデータを格納できる、より小型で柔軟性の高いデータ転送ソリューション、Snowball EDGE も発売しました。 Western Digital は、368TB のデータを保存できるブリーフケース サーバーもリリースしました。手で持ち運んだり、ストレージサーバーとしてコンピュータールームに設置したりできます。

したがって、問題の核心は、実際のユーザーにどの方法がより人気があるかということです。現時点では、トラックはデータを物理的に移動するには少し大きすぎるようです。ただし、数百 TB から数 PB に及ぶ一時的なデータ転送のニーズには、直接的な物理的な移動が、今日でもより手頃な選択肢である可能性があります。

物理的なデータ転送と光ファイバーネットワーク伝送には、それぞれ独自の適用範囲があります。光ファイバーの利点は増えていますが、物理的な輸送方法には依然として独自の専門分野があります。

参考文献

[1]https://www.cnbc.com/2024/04/17/aws-stops-selling-snowmobile-truck-for-cloud-migrations.html

[2]https://www.nict.go.jp/en/press/2024/06/26-1.html

[3]https://interestingengineering.com/innovation/world-record-transmission-optical-fiber

企画・制作

出典: Global Science (id: huanqiukexue)

著者: 王宇

編集者：鍾延平

校正：徐来林

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