5G und 6G als Katalysatoren für Edge-Computing Schwedens Forschung setzt auf Edge und Mobilfunk als Innovationsmotor

Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Ein Innovationsschub könnte sich aus den neuen Mobilfunkgenerationen 5G und 6G entwickeln. Im nordschwedischen Forschungszentrum RISE ICE bei Luleå ist man schon dabei, diese Zukunft zu erforschen, zu entwickeln und zu testen.

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Schweden möchte Weltspitze bei Themen wie Edge, IoT und AR werden.
Schweden möchte Weltspitze bei Themen wie Edge, IoT und AR werden.
(Bild: Ericsson)

Erst Web-Browser und dann mobile Apps samt Smartphones waren die Treiber zweier sehr intensiver Innovationswellen. Schon bald könnten Edge-Datacenters und Edge-Computing in breitbandigen Mobilnetzen die nächste digitale Fortschrittswelle lostreten. Das meint jedenfalls Tor Minde, der als Lehrbeauftragter bei RISE (Research Institute of Sweden) arbeitet.

Laut Minde ist RISE vergleichbar mit der hiesigen Fraunhofer-Gesellschaft. Diese kümmert sich bekanntlich um angewandte Forschung. Projekte werden grundsätzlich von Industrieunternehmen mitfinanziert oder gar angestoßen. Das Feld der Forschungen ist weit und umfasst so ziemlich jedes technisch relevante Thema.

Kooperation zwischen Facebook, Ericsson und ABB

Ein Schwerpunktthema der Forschung bei RISE ist die IT. Die Einrichtung verfügt über große Rechnerkapazitäten und betreibt diverse IT- und Rechenzentrumslabore zu Themen wie neue Rechnerarchitekturen, Energie-effizientes Computing und Ähnlichem.

Das Institut wurde von Facebook (jetzt: Meta), Ericsson und ABB gegründet und befindet sich in Luleå, Nordschweden, wo auch Facebook einen ausgedehnten Datacenter-Standort betreibt. Inzwischen beschäftigt die Einrichtung 27 Menschen.

Minde war, bevor er zu RISE kam, für Ericsson tätig, zuletzt als Forschungsdirektor. Sein Schwerpunkt lagen bis vor einigen Jahren bei Mobil-Infrastrukturen, vor allem 5G.

Vom Mobilnetz zum Edge-Rechenzentrum

Bei RISE forscht Minde zu Rechenzentren. Aktuell widmet er sich mit besonderer Verve dem Thema Edge. Das sei eine logische Folge der Mobilfunkentwicklung, sagt der Wissenschaftler.

6G überschreitet die Leistungen von 4G und auch 5G um Größenordnungen.
6G überschreitet die Leistungen von 4G und auch 5G um Größenordnungen.
(Bild: Minde/RISE)

„Die Ziele für 5G waren schon gewaltig. Doch 6G legt noch etwas drauf“, erläutert Minde. Die 6G-Technologie soll den Transport von 10.000mal so vielen mobilen Daten ermöglichen (5G: 1000mal) wie 4G - kann somit Kupferkabel ersetzen - 100 bis 1000mal so viele Endgeräte am Netz erlauben, Endanwender sollen von 100- bis 1000mal schnelleren Datenraten profitieren und Batterien mindestens 100mal so lange halten wie heute.

Latenz wird zum No-Go

Entscheidend für die weitere Entwicklung sei allerdings die Latenzentwicklung. Sie geht in modernen mobilen Netzen radikal nach unten: Während 5G-Netze nur noch ein Fünftel heute normaler Latenzen benötigen, soll die Latenz in den 6G-Infrastrukturen der Zukunft auf 2 Prozent der heutigen Werte zusammenschrumpfen.

Mit jeder Mobilfunkgeneration wird die Latenz zwischen Sendemast und zentralem Rechenzentrum wichtiger, während die zwischen Endgerät und Sendemast zur Marginalie wird.
Mit jeder Mobilfunkgeneration wird die Latenz zwischen Sendemast und zentralem Rechenzentrum wichtiger, während die zwischen Endgerät und Sendemast zur Marginalie wird.
(Bild: Minde/RISE)

Dabei entfällt heute der Großteil der verbrauchten Zeit auf die Verbindung zwischen Sendemast und zentralen Rechenzentren. Bei älteren Funkstandards war es umgekehrt: Hier brauchten die Daten am meisten Zeit zwischen Endgerät und dem Sendemast des Funknetzes.

Viele Applikationen brauchen nahezu Echtzeit

Die Verzögerung muss geschrumpft werden. Denn wenn Daten zu spät kommen, werden Applikationen sinnlos, mögen sie auch noch so gut gedacht sein.

Als Beispiel führt Minde eine Navigationssystem für die Arbeit in Minen an. „Hier müssen die Daten zwar auf einem Tablet oder Smartphone angezeigt werden, lassen sich aber aus Latenzgründen nicht in einem zentralen Rechenzentrum verarbeiten.“ Denn bei der Latenz, zu der das führen würde, ist der Bergbauarbeiter womöglich schon in einen Schacht gestürzt.

Ein anderes Beispiel sind Daten- und Virtual-Reality-Brillen. Sie sollen Augmented-Reality-(AR-)Anwendungen ermöglichen. Doch AR funktioniert nur dann, wenn die zum Bild passenden Daten sofort auftauchen und nicht erst einige Sekunden später. Denn bis dahin sind Blick und Gedanken wahrscheinlich schon weiter gewandert, und die eingeblendete Info passt nicht mehr.

Edge-DC hebeln Datengravität und Latenz aus

Verteilte Infrastrukturen und die auf ihnen arbeitenden Applikationen funktionieren also nicht, ohne Instanzen zwischen zentrale Rechenzentren und Edge-Devices zu schalten. Sonst ist die transportbedingte Verzögerung für Applikationen schlicht zu groß.

Weitere Motoren der Entwicklung sind der Drang nach Datensouveränität sowie die schwierige Migrierbarkeit großer Datenmengen. Letzteres erzwingt, die Applikationen näher an die Daten heranzubringen.

Zwischen dem Edge-Datacenter und dem 5G-Testbed ist eine schnelle Verbindung geschaltet
Zwischen dem Edge-Datacenter und dem 5G-Testbed ist eine schnelle Verbindung geschaltet
(Bild: Minde/RISE)

Kurz: In solchen Fällen muss eine Zwischeninstanz her. Sie verarbeitet einerseits die von den Edge-Devices kommenden Datenmassen und gibt zum anderen mit wenig Verzögerung Content in Richtung der Edge Devices weiter.

Die zentrale Cloud wird dadurch nicht überflüssig, kann sich aber anderen Aufgaben zuwenden. Das Edge füttert sie sozusagen mit Daten.

Edge-Forschung seit 2020

RISE forscht seit 2020 aktiv an der Gestaltung von Edge Computing und Edge Datacenters. Im Juni 2020 startete mit ICE Edge zunächst eine neunmonatige Machbarkeitsstudie.Es entstand das Konzept eines Edge-Hardwareknoten mit Hardware, Software und Sensorpaketen.

Ziel war es, Edge-Technologie und -Funktionalität in den Test- und Demonstrationseinrichtungen von RISE implementieren zu können, wenn diese Edge-Funktionen brauchten. Kooperationspartner war hier unter anderem die Technische Universität Lulea.

Die Bildungseinrichtung finanzierte die Implementierung zweier Edge-Knoten, einer Softwarelösung für verteiltes Computing, eines Simulators für zum Test von Anwendungen und eine Verbindung zu den Prototypen im 5G-Testbed.

Fünf Demonstratoren geplant

Nach erfolgreichem Abschluss von IEC Edge läuft jetzt seit März 2021 ICEedge. Dieses Projekt dauert drei Jahre. Nun entsteht auf Basis des Vorläuferprojekts eine nutzbare experimentelle Infrastruktur für das Edge Computing bei RISE.

Diese Infrastruktur soll Edge-Technologie für wichtige weitere Vorhaben zur Verfügung stellen. Die Website des Projekts nennt als mögliche Themen AI und 5G in Schweden samt den schwedischen 5G-Testbeds, die auf die Technologie zugreifen können.

Mindestens fünf Demonstratoren oder Anwendungsentwicklungsprojekte sind geplant. Außerdem will sich das Projekt in mindestens ein Edge-bezogenes Forschungsprojekt aus dem europäischen Programm „Horizon 2020“ anbinden.

ICE Datacenter als technische Basis

Grundlage der Implementierung ist das ICE-Datacenter, das es seit 2016 gibt. Es besteht aus zwei Modulen:

  • Das erste enthält ein Testlabor mit stabilem Milieu für IT und Anwendungen. Die sensorgespickte Anlage mit knapp 30.000 Messpunkten liefert Messdaten für die Modellierung und Simulation. Dort stehen „Dell Smartedge RX730“-Server, die durch GPUs beschleunigt werden.

Ungefähr 30.000 Messpunkte gibt es im ICE Datacenter von RISE.
Ungefähr 30.000 Messpunkte gibt es im ICE Datacenter von RISE.
(Bild: Minde/RISE)

  • Das zweite Modul widmet sich vor allem innovativen Technologien für Energieversorgung, Kühlung und Klimatisierung von Rechenzentren. Dort finden sich Einrichtungen wie ein OCP-Lab (OCP = Open Compute Project), Solarpaneelen, Wärmepumpe, IT-Betriebszentrum, Edge-Module, eine Klimakammer, ein Gewächshaus, ein Windtunnel und so weiter.

Komplette Edge-Entwicklungsumgebung

„ICEedge “soll die Services der ICE-Datacenter erweitern. „Wir stellen Entwicklern Hardware, Software und eine geeignete Entwicklungsumgebung zur Verfügung.“ Auch Wissen und Beratung sollen Interessierte bei RISE bekommen.

Edge Computing könnte zur Plattform für eine neue Anwendungsgeneration werden.
Edge Computing könnte zur Plattform für eine neue Anwendungsgeneration werden.
(Bild: Minde/RISE)

Dadurch seien Experimente und Anwendungsentwicklung möglich. Die Transportzeit von Daten hin und zurück (Roundtrip Delay) betrage dabei nur wenige Millisekunden. Das sind Werte, wie sie für AI, AR und VR benötigt werden. Edge-Computing-Kapazität wird in Testbeds bereitgestellt. In die einzelnen Projekte werden jeweils Partner eingebunden.

Schweden bereitet sich auf Edge-Lawine vor

Natürlich bedeutet das alles auch eine Wettbewerbsförderung für schwedische Unternehmen. Schließlich soll am Ende ein Ökosystem stehen, das weltweit Spitzentechnologie für Themen wie Edge, IoT, AI und VR anbieten kann.

Minde meint, mit Edge in seinen vielfältigen Formen tue sich eine vollkommen neue Plattform auf, mit der dann auch bislang kaum denkbare Applikationen realisierbar werden.

Warum man hier derzeit noch so wenig Fortschritt sieht? "Die Durchdringung wird bei Edge exponentiell verlaufen", ist sich der Wissenschaftler sicher. Also: Gestern kaum sichtbar, morgen ubiquitär. Die Entwicklung gleiche einem Geysir: Zunächst sehe man nichts, das Wasser erhitze sich im Untergrund und erst wenn Erst wenn die Wassersäule an der Oberfläche zu kochen beginnt, fällt der Druck in den darunterliegenden Wasserschichten, so dass diese verdampfen können. Fast schlagartig verdampft dann das gesamte Wasser im Schlot: Der Geysir bricht aus. Für dieses Stadium sorgt Schweden vor.

Nachdem Mobiltechnologie aus dem hohen Norden schon lange zur Weltspitze gehört, könnte das in einigen Jahren wohl auch für Energie-effiziente, in die Umgebung eingebundene Edge-Rechenzentren und ihre Applikationen gelten.

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