home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Telecom / 1996-04-telecom-walnutcreek.iso / george.gilder.essays / coming.of.the.fibersphere < prev    next >
Internet Message Format  |  1994-12-20  |  53KB

  1. From: "gordon jacobson" <gordon.jacobson@channel1.com>
  2. Subject: Into the Fibersphere
  3. Date: 16 Mar 93 00:46:12 EST
  4. Reply-To: "gordon jacobson" <gordon.jacobson@channel1.com>
  5. Organization: Channel 1 Communications
  6.  
  7.  
  8.      I have seen references to the following article in this and other
  9. newsgroups.  I contacted the author and Forbes and as the preface
  10. below indicates obtained permission to post on the Internet.  Please
  11. note that the preface must be included when cross posting this article
  12. to another newsgroup.
  13.  
  14. The following was received directly from George Gilder on Saturday March 6.
  15.  
  16.  
  17. Date:     Sat Mar 06, 1993 2:58 pm GMT
  18. From:     George Gilder / MCI ID: 409-1174
  19. TO:       Gordon Jacobson
  20. Subject:  PLEASE UPLOAD TO INTERNET
  21.  
  22.  
  23.      The following article, INTO THE FIBERSPHERE, was first published
  24. in slightly different and shorter form in Forbes ASAP, December 7,
  25. 1993.  It is a portion of my book, Telecosm, which will be published
  26. next year by Simon & Schuster, as a sequel to Microcosm, published in
  27. 1989 and Life After Television published by Norton in 1992.
  28. Subsequent chapters of Telecosm will be serialized in Forbes ASAP
  29. beginning with the March issue containing a theory of wireless
  30. communications.
  31.  
  32.  
  33.                     THE COMING OF THE FIBERSPHERE
  34.  
  35.             In a world of dumb terminals and telephones,
  36.             networks had to be smart.  But in a world of
  37.             smart terminals, networks have to be dumb.
  38.  
  39.   
  40.                                BY
  41.                                  
  42.                           GEORGE GILDER
  43.  
  44.  
  45.      Philip Hope, divisional vice president for engineering systems of
  46. EDS, has an IQ problem.  His chief client and owner, General Motors,
  47. wants to interconnect thousands of 3-D graphics and computer aided
  48. engineering (CAE) workstations with mainframes and supercomputers at
  49. Headquarters, with automated assembly equipment at factories in
  50. Lordstown, Indiana, and Detroit, with other powerful processors at
  51. their technical center in Warren, Michigan, with their Opel plant in
  52. Ruesselheim, Germany, and with their design center outside San Diego.
  53. On behalf of another client, Hope wants to link multimedia stations
  54. for remote diagnostics, X-ray analysis, and pharmaceutical modeling in
  55. hospitals and universities across the country.
  56.  
  57.      Any function involving 3-D graphics, CAE, supercomputer
  58. visualization, lossless diagnostic imaging, and advanced medical
  59. simulations demands large bandwidth or communications power.  Graphics
  60. workstations often operate screens with a million picture elements
  61. (pixels), and use progressive scanning at 60 frames or images a
  62. second.  Each pixel may entail 24 bits of color.  That adds up fast to
  63. billions of bits (gigabits) a second.  And that's for last year's
  64. technology in a computer industry that is doubling its powers and cost
  65. effectiveness every year.
  66.  
  67.      What Hope needs is bandwidth and connections.  The leading
  68. bandwidth and connections people have always been the telephone
  69. companies.  But when Hope goes to the telephone companies, they want
  70. to tell him about intelligence: their Advanced Intelligent Network
  71. which will be coming on line over the next decade or so and will solve
  72. all his problems.  For now, they have what they call DS-3 services
  73. available in many areas, operating T-3 lines at 45 megabits (million
  74. bits) a second.  These facilities are ample for most computer uses and
  75. working together with several different Regional Bell Operating
  76. Companies (RBOCs), Hope should be able to acquire these services in
  77. time for a General Motors takeover by Toyota.
  78.  
  79.      Hope has been through this before.  In the early 1980s, he
  80. actually wanted D-3 services.  Then he was interconnecting facilities
  81. in Southeast, Michigan, with plants in Indiana and Ohio.  But Michigan
  82. Bell could not supply the lines in time.  EDS had to build a network
  83. of microwave towers to bear the 45 megabit traffic.  Later in the
  84. decade, the phone companies have even offered him higher capacity
  85. fiber optic lines, with the requirement that the optical bits be
  86. slowed down and run periodically through an electronic interface so
  87. the telco could count the number of "equivalent channels" being used.
  88.  
  89.      What Hope and others in the systems integration business need is
  90. not intelligent networks tomorrow but dumb bandwidth that they can
  91. deliver to their customers flexibly, cheaply, and now.  To prepare for
  92. future demand, they want the network to use fiber optics.  It so
  93. happens that America's telephone companies have some two million miles
  94. of mostly unused fiber lines in the ground today, kept as redundant
  95. capacity for future needs.  Hope would like to be able to tap into
  96. this "dark fiber" for his own customers.
  97.  
  98.      As a leader in the rapidly expanding field of computer services,
  99. EDS epitomizes the needs of an information economy.  With a backlog of
  100. 22 billion dollars in already contracted business, EDS is currently a
  101. seven billion dollar company growing revenues at an annual rate of 15
  102. percent, some three times as fast as the phone companies.  EDS will
  103. add a billion dollars or so in new sales in 1992 alone.  If the
  104. company is to continue to supply leading edge services to its
  105. customers, it must command leading edge communications.  To EDS, that
  106. means dumb and dark networks.
  107.  
  108.  
  109.                            THE "DARK FIBER" CASE
  110.  
  111.      That need has driven EDS into an active role as an ex parte
  112. pleader in Federal Case 911416, currently bogging down in the District
  113. of Columbia Federal Court of Appeals as the so-called "dark fiber"
  114. case.  On the surface, the case, known as Southwestern Bell et al
  115. versus the Federal Communications Commission and the U.S. Justice
  116. Department, pits four Regional Bell telephone companies against the
  117. FCC.  But the legal maneuvers actually reflect a rising conflict
  118. between the Bells and several large corporate clients over the future
  119. of communications.
  120.  
  121.      Beyond all the legal posturing, the question at issue is whether
  122. fiber networks should be dumb and dark, and cheap, the way EDS and
  123. other customers like them.  Or whether they should be bright and
  124. smart, and "strategically" priced, the way the telephone companies
  125. want them.
  126.  
  127.      On the side of intelligence and light are the phone companies;
  128. Southwestern Bell, U.S. West, Bell South, and Bell Atlantic.  The
  129. forces of darkness include key officials at the FCC and such companies
  130. as Shell Oil, the information services arm of McDonald Douglas, long
  131. distance network provider Wiltel, as well as EDS.
  132.  
  133.      For most of the four year course of the struggle, it has passed
  134. unnoticed by the media.  In summary, the issue may not seem
  135. portentous.  The large corporate customers want dark fiber; the FCC
  136. mandates that it be supplied; the Bells want out of the business.  But
  137. for all their obscurity, the proceedings raise what for the next
  138. twenty years will be the central issue in communications law and
  139. technology.  The issue, if not the possible trial itself, will shape
  140. the future of both the computer and telephone industries during a
  141. period when they are merging to form the spearhead of a new
  142. information economy.
  143.  
  144.      "Dark fiber" is simply a glass fiber optic thread with nothing
  145. attached to it, (ie. no light being sent through it).  In this "unlit"
  146. condition, it is available for use without the intermediation of phone
  147. company electronics or intelligent services.
  148.  
  149.      In the mid-1980s, the Bells leased some of their dark fiber lines
  150. to several large corporations on an individual case basis.  These
  151. companies learned to love dark fiber.  But when they tried to renew
  152. their leases with the Bells, the Bells clanged no!  Why don't you
  153. leave the interconnections and protocols to us?  Why don't you use our
  154. marvellous smart network with all the acronyms and intelligent
  155. services?  Why don't you let us meter your use of the fiber and send
  156. you a convenient monthly bill for each packet of bits you send?
  157.  
  158.      EDS and the other firms rejected the offer; they preferred that
  159. dumb fiber to the intelligent network.  When the Bells persisted in an
  160. effort to deny new leases, the companies went to the FCC to require
  161. the Bells, as regulated "common carrier" telephone companies, to
  162. continue supplying dark fiber.
  163.  
  164.      In the fall of 1990, the FCC ruled that the phone companies would
  165. have to offer dark fiber to all comers under the rules of common
  166. carriage.  Rather than accept this new burden, the phone companies
  167. petitioned to withdraw from the business entirely under what is called
  168. a rule 214 application.  Since the FCC has not acted on this petition,
  169. the Bells are preparing to go to court to force the issue.  Their
  170. corporate customers are ready to litigate as well.
  171.  
  172.      It is safe to say that none of the participants fully comprehend
  173. the significance of their courthouse confrontation.  To the Bells,
  174. after all is said and done, the key problem is probably the price.
  175. Under the existing tariff, they are required to offer this service to
  176. anyone who wants it for an average price of approximately $150 per
  177. strand of fiber per month.  As an offering that competes with their
  178. T-3 45 megabit (millions of bits) a second lines and other forthcoming
  179. marvels, dark fiber threatens to gobble up their future as vendors of
  180. broadband communications to offices, even as cable TV preempts them as
  181. broadband providers to homes.  Since the Bells' profits on data are
  182. growing some 10 times as fast as their profits on voice telephony,
  183. they see dark fiber as a menace to their most promising markets.
  184.  
  185.      The technological portents, however, are far more significant
  186. even than the legal and business issues.  The coming triumph of dark
  187. fiber will mean not only the end of the telephone industry as we know
  188. it but also the end of the telephone industry as they plan it: a vast
  189. intelligent fabric of sophisticated information services.  It also
  190. could mean a thoroughgoing restructuring of a computer industry
  191. increasingly dedicated to supplying "smart networks." Indeed, for most
  192. of the world's communications companies, professors of communications
  193. theory, and designers of new computer networks, the triumph of dark
  194. and dumb means "back to the drawing board," if not back to the dark
  195. ages.
  196.  
  197.      But the new dark ages cannot be held back.
  198.  
  199.      Springing out the depths of IBM's huge Watson Laboratories is a
  200. powerful new invention: the all optical network, that will soon
  201. relegate all bright and smart executives to the Troglodyte file and
  202. make dumb and dark the winning rule in communications.
  203.  
  204.  
  205.                             THE WRINGER EFFECT
  206.  
  207.      From time to time, the structure of nations and economies goes
  208. through a technological wringer.  A new invention radically reduces
  209. the price of a key factor of production and precipitates an industrial
  210. revolution.  Before long, every competitive business in the economy
  211. must wring out the residue of the old costs and customs from all its
  212. products and practices.
  213.  
  214.      The steam engine, for example, drastically reduced the price of
  215. physical force.  Power once wreaked at great expense from human and
  216. animal muscle pulsed cheaply and tirelessly from machines burning coal
  217. and oil.  Throughout the world, dominance inexorably shifted to
  218. businesses and nations that reorganized themselves to exploit the
  219. suddenly cheap resource.  Eventually every human industry and
  220. activity, from agriculture and sea transport to printing and war, had
  221. to centralize and capitalize itself to take advantage of the new
  222. technology.
  223.  
  224.      Putting the world through the technological wringer over the last
  225. three decades has been the integrated circuit, the IC.  Invented by
  226. Robert Noyce of Intel and Jack Kilby of Texas Instruments in 1959, the
  227. IC put entire systems of tiny transistor switches, capacitors,
  228. resistors, diodes, and other once costly electronic devices on one
  229. tiny microchip.  Made chiefly of silicon, aluminum, and oxygen, three
  230. of the most common substances on earth, the microchip eventually
  231. reduced the price of electronic circuitry by a factor of a million.
  232.  
  233.      As industry guru Andrew Rappaport has pointed out, electronic
  234. designers now treat transistors as virtually free.  Indeed, on memory
  235. chips, they cost some 400 millionths of a cent.  To waste time or
  236. battery power or radio frequencies may be culpable acts, but to waste
  237. transistors is the essence of thrift.  Today you use millions of them
  238. slightly to enhance your TV picture or to play a game of solitaire or
  239. to fax Doonsbury to Grandma.  If you do not use transistors in your
  240. cars, your offices, your telephone systems, your design centers, your
  241. factories, your farm gear, or your missiles, you go out of business.
  242. If you don't waste transistors, your cost structure will cripple you.
  243. Your product will be either too expensive, too slow, too late, or too
  244. low in quality.
  245.  
  246.      Endowing every information age engineer or PC hacker with the
  247. creative potential of a factory owner of the industrial age, the
  248. microchip reversed the centralizing thrust of the previous era.  All
  249. nations and businesses had to adapt to the centrifugal law of the
  250. microcosm, flattening hierarchies, outsourcing services, liberating
  251. engineers, shedding middle management.  If you did not adapt your
  252. business systems to the new regime, you would no longer be a factor in
  253. the world balance of economic and military power.
  254.  
  255.      During the next decade or so, industry will go through a new
  256. technology wringer and submit to a new law: the law of the telecosm.
  257. The new wringer, the new integrated circuit, is called the all optical
  258. network.  It is a communications system that runs entirely in glass.
  259. Unlike existing fiber optic networks, which convert light signals to
  260. electronic form in order to amplify or switch them, the all optical
  261. network is entirely photonic.  From the first conversion of the signal
  262. from your phone or computer to the final conversion to voice or data
  263. at the destination, your message flies through glass on wings of
  264. light.
  265.  
  266.      Just as the old integrated circuit put entire electronic systems
  267. on single slivers of silicon, the new IC will put entire
  268. communications systems on seamless webs of silica.  Wrought in threads
  269. as thin as a human hair, this silica is so pure that you could see
  270. through a window of it seventy miles thick.  But what makes the new
  271. wringer roll with all the force of the microchip revolution before it
  272. is not the purity but the price.  Just as the old IC made transistor
  273. power virtually free, the new IC, the all optical network, will make
  274. communications power virtually free.
  275.  
  276.      Another word for communications power is bandwidth.  Just as the
  277. entire world had to learn to waste transistors, the entire world will
  278. now have to learn how to waste bandwidth.  In the 1990s and beyond,
  279. every industry and economy will go through the wringer again.
  280.  
  281.      The impact on the organization of companies and economies,
  282. however, has yet to become clear.  What is the law of the telecosm?
  283. Will the new technology reverse the centrifugal force of the microchip
  284. revolution...or consummate it?  To understand the message of the new
  285. regime, we must follow the rule of microcosmic prophet Carver Mead of
  286. Caltech: "Listen to the technology...and find out what it is telling
  287. us."
  288.  
  289.  
  290.                         THE SHANNON-SHOCKLEY REGIME
  291.  
  292.      The father of the all-optical-network, the man who coined the
  293. phrase, built the first fully functional system, and wrote the
  294. definitive book on the subject, is Paul E. Green, Jr. of Watson
  295. Laboratory at IBM.  Now standing directly in the path of Green's
  296. wringer is Robert Lucky, who some seven years ago at a conference at
  297. Cornell first gave Green the idea that an all optical network might be
  298. possible.
  299.  
  300.      The leading intellectual in telephony, Lucky recently shocked the
  301. industry by shifting from AT&T's Bell Labs, where he was executive
  302. director of research, to Bellcore, the laboratory of the Regional Bell
  303. Operating Companies (RBOCs).  There he will soon have to confront the
  304. implications of Green's innovation.
  305.  
  306.      Contemplating the new technology, Lucky recalls a course on data
  307. networks that he used to teach many years ago with Green.  As a
  308. computer man, Green relished the contrast between the onrushing
  309. efficiencies in his technology and the relative dormancy in
  310. communications.  Indeed, for some twenty five years, while computer
  311. powers rose a millionfold, network capacities increased about a
  312. thousandfold.  It was not until the late 1980s that most long distance
  313. data networks much surpassed the Pentagon's "ARPANET" running at 50
  314. kilobits (thousands of bits) per second since the mid sixties.
  315.  
  316.      This was the era dominated by the powerful mathematic visions and
  317. theories of Claude Shannon of MIT and Bell Labs.  Shannon was the
  318. reclusive genius who invented Information Theory to ascertain the
  319. absolute carrying capacity of any communications channel.
  320.  
  321.      Whether wire or air, channels were assumed to be narrow and
  322. noisy, the way God made them (sometimes with help from AT&T).  Typical
  323. were the copper phone lines that still link every household to the
  324. telephone network and the air waves that still bear radio and
  325. television signals and static.
  326.  
  327.      The all-purpose remedy for these narrow, noisy channels was
  328. powerful electronics.  Invented at Bell Laboratories by a team headed
  329. by William Shockley and then developed by Robert Noyce and other
  330. Shockley proteges in Silicon Valley, silicon transistors and
  331. integrated circuits engendered a constant exponential upsurge of
  332. computing power.
  333.  
  334.      Throwing ever more millions of ever faster and cheaper
  335. transistors at every problem, engineers created fast computers,
  336. multiplexors, and switches that seemed to surmount and outsmart every
  337. limit of bandwidth or restriction of wire.  This process continues
  338. today with heroic new compression tools that allow the creation of
  339. full video conferences over 64 kilobit telephone connections.
  340. Scientists at Bellcore are now even proposing new ways of using the
  341. Motion Picture Engineering Group (MPEG) compression standard to send
  342. full motion movies at 1.5 megabits a second over the 4 kilohertz
  343. twisted pair copper wires to the home.  Using ever faster computers,
  344. the telephone company is saying it can give you pay-per- view movies
  345. without installing fiber, or even coaxial cable, to the home.
  346.  
  347.      In the Shannon-Shockley era, the communications might be noisy
  348. and error prone, but smart electronics could encode and decode
  349. messages in complex ways that allowed efficient identification and
  350. correction of all errors.  The Shannon channel might be narrow, but
  351. fast multiplexors allowed it to be divided into time slots
  352. accommodating a large number of simultaneous users in a system called
  353. time division multiplexing.  The channel might clog up when large
  354. numbers of users attempted to communicate with each other at once, but
  355. collision detectors or token passers could sort it all out in
  356. nanoseconds.  Graphics and video might impose immense floods of bits
  357. on the system, but compression technology could reduce the floods to a
  358. manageable trickle with little or no loss of picture quality.
  359.  
  360.      If all else failed, powerful electronic switches could compensate
  361. for almost any bandwidth limitations.  Switching could make up for the
  362. inadequate bandwidth at the terminals by relieving the network of the
  363. need to broadcast all signals to every destination.  Instead, the
  364. central switch could receive all signals and then route them to their
  365. appropriate addresses.
  366.  
  367.      To this day, this is the essential strategy of the telephone
  368. companies: compensate for narrow noisy bandwidth with ever more
  369. powerful and intelligent digital electronics.  Their "core
  370. competence," the Bells hasten to tell you, is switching.  They make up
  371. for the shortcomings of copper wires by providing smart, powerful
  372. digital switches.
  373.  
  374.      Their vision for the future is to join the computer business all
  375. the way, making these switches the entering wedge for ever more
  376. elaborate information services.  Switches will grow smarter and more
  377. sophisticated until they provide an ever growing cornucopia of
  378. intelligent voice and fax features, from caller ID and voice mail to
  379. personal communications systems that follow you and your number around
  380. the world from your car commute to your vacation beach hideaway.  In
  381. the end, these intelligent networks could supply virtually all the
  382. world's information needs, from movies, games and traffic updates to
  383. data libraries, financial services, news programs, and weather
  384. reports, all climaxing with yellow pages that exfoliate into a
  385. gigantic global mall of full motion video where your fingers walk (or
  386. your voice commands echo) from Harrods, to Jardines, to Akihabara, to
  387. Century 21 without you leaving the couch.
  388.  
  389.      At the time when Green and Lucky taught their course, this
  390. strategy for the future was only a glimmer in the minds of telephone
  391. visionaries.  But the essence of it was already in place.  As Green
  392. pointed out, telephone companies' response to sluggishness in
  393. communications was to enter the computer industry, where progress was
  394. faster.  The creativity of digital electronics would save the
  395. telephone industry from technical stagnation.
  396.  
  397.      Lucky, however, protested to Green that it was unjust to compare
  398. the two fields.  Computers and telecom, as Lucky explained it, operate
  399. on entirely different scales.  Computers work in the microscale world
  400. of the IC, putting ever more thousands of wires and switches on single
  401. slivers of silicon.
  402.  
  403.      By contrast, telecommunications functions in the macroworld,
  404. laying out wires and switches across mostly silicon landscapes and
  405. seabeds.  It necessarily entails a continental, or even
  406. intercontinental stretch of cables, microwave towers, switches, and
  407. poles.  "How was it possible," Lucky asked, "to make such a large
  408. scale system inexpensive?" Inherent in the structure and even the
  409. physics of computers and telecommunications, so it seemed to Lucky two
  410. decades ago, was a communications bottleneck.
  411.  
  412.      As Lucky remembers it, Green was never satisfied with Lucky's
  413. point.  Green believed that someday communications could achieve
  414. miracles comparable to the integrated circuit in computing....
  415.  
  416.                            THE BANDWIDTH SCANDAL
  417.  
  418.      Today, as Lucky was the first to announce, fiber optics has
  419. utterly overthrown the previous relationship between fast computers
  420. and slow wires.  Now it is computer technology that imposes the
  421. bottleneck on the vast vistas of dark fiber.
  422.  
  423.      A silicon transistor can change its state some 2.5 billion times
  424. a second in response to light pulses (bundles of photons) hitting a
  425. photo- detector.  Since it would take a human being a thousand years
  426. or so of 10 hour workdays even to count to two billion, two billion
  427. cycles in a single second (two gigahertz) might seem a sprightly pace.
  428. But in the world of fiber optics running at the speed and frequencies
  429. of light, even a rate of two billion cycles a second is a humbling bow
  430. to the slothful pace of electronics.  Since optical signals still have
  431. to be routed to their destinations through computer switches,
  432. communications now suffers from what is known as the "electronic
  433. bottleneck."
  434.  
  435.      It is this electronic bottleneck, the entire Bell edifice of
  436. Shannon and Shockley, that Paul Green plans to blow away with his all
  437. optical networks.  Green is targeting what is a secret scandal of
  438. modern telecommunications: the huge gap between the real capacity of
  439. fiber optics and the actual speed of telephone communications.
  440.  
  441.      In communications systems, the number of waves per second (or
  442. hertz) represents a rough measure of its potential bandwidth or
  443. ultimate carrying capacity.  The bandwidth of a radio system, for
  444. example, is determined by the frequency of each station or channel and
  445. by the number of stations that can fit within the band.  Your AM dial,
  446. for example, runs from around 535 thousand hertz (kilohertz) to 1705
  447. kilohertz and each station uses some 10 kilohertz.  With an ideal
  448. receiver, the AM passband might carry 117 stations.
  449.  
  450.      By contrast, the intrinsic bandwidth of one strand of dark fiber
  451. is some 25 thousand gigahertz in each of three groups of frequencies
  452. (three passbands) through which fiber can transmit light over long
  453. distances.  At a gigahertz per terminal, this bandwidth might
  454. accommodate some 25,000 supercomputer "stations" (or 2.5 billion AM
  455. stations).  Using what is called dispersion shifted fiber, it may be
  456. possible to use two of these passbands at once: a total of some 40 or
  457. 50 thousand gigahertz.  For comparison, consider all the radio
  458. frequencies currently used in the air for radio, television,
  459. microwave, and satellite communications and multiply by two thousand.
  460. The bandwidth of one fiber thread could carry more than two thousand
  461. times as much information as all these radio and microwave frequencies
  462. that currently comprise the "air." One fiber thread could bear twice
  463. the traffic on the phone network during the peak hour of Mothers' Day
  464. in the U.S. (the heaviest load currently managed by the phone system).
  465.  
  466.      Yet even for point-to-point long distance links, let alone
  467. connections to homes, telephone and computer network engineers now
  468. turn their backs on this immense capacity and use perhaps one or two
  469. fifty thousandths it.  Deferring to the electronic bottleneck, the
  470. telephone industry uses fiber merely as a superior replacement for the
  471. copper wires, coaxial cables, satellite links, and microwave towers
  472. that connected the local central office switches to one another for
  473. long distance calls.
  474.  
  475.      Over the last 15 years, the Bell Laboratory record for fiber
  476. optics communication has run from 10 megabits per second over a one
  477. kilometer span to some 10 gigabits per second over nearly one thousand
  478. kilometers.  But all the heroic advances in point-to-point links
  479. between central offices continued to use essentially one frequency on
  480. a fiber thread, while ignoring its intrinsic power to accommodate
  481. thousands of useful frequencies.
  482.  
  483.      In a world of all optical networks, this strategy is bankrupt.
  484. No longer will it be possible to throw more transistors, however cheap
  485. and fast, at the switching problem.  Electronic speeds have become an
  486. insuperable bottleneck obstructing the vast vistas of dark fiber
  487. beyond.
  488.  
  489.      So called gigabit networks planned by the telephone and computer
  490. companies will not do.  What is needed is not a gigabit spread among
  491. many terminals, but a large network functioning at a gigabit per
  492. second per terminal.
  493.  
  494.      The demands of EDS offer a hint of the most urgent business
  495. needs.  Added to them will be consumer demands.  True high definition
  496. television, comparable to movies in resolution, requires close to
  497. gigabit-a-second bandwidth, particularly if the program is dispatched
  498. to the viewer in burst mode all at once in a few seconds down the
  499. fiber, or if the user is given a chance to shape the picture, choose a
  500. vantage point, window several images at once, or experience three
  501. dimensions.  When true broadband channels become available, there will
  502. be a flood of new applications comparable to the thousands of new uses
  503. of the IC.
  504.  
  505.      No foreseeable progress in electronics can overcome the
  506. electronic bottleneck.  To do that, we need an entirely new
  507. communications regime.  In the form of the all optical network, this
  508. regime is now at hand.
  509.  
  510.  
  511.               LAW OF THE TELECOSM:  NETWORKS DUMB AS A STONE
  512.  
  513.      The new regime will use fiber not as a replacement for copper
  514. wires but as a new form of far more capacious and error-free air.
  515. Through a system called wavelength division multiplexing and access,
  516. computers and telephones will tune into desired messages in the
  517. fibersphere the same way radios now tune into desired signals in the
  518. atmosphere.  The fibersphere will be intrinsically as dumb and dark as
  519. the atmosphere.
  520.  
  521.      The new regime overcomes the electronic bottleneck by altogether
  522. banishing electronics from the network.  But, ask the telcos in
  523. unison, what about the switches?  As long as the network is switched,
  524. it must be partly electronic.  Unless the network is switched, it is
  525. not a true any- to-any network.  It is a broadcast system.  It may
  526. offer a cornucopia of services.  But it cannot serve as a common
  527. carrier like the phone network allowing any party to reach any other.
  528. Without intelligent switching it cannot provide personal
  529. communications nets that can follow you wherever you go.  Without
  530. intelligent switching, the all optical network, so they say, is just a
  531. glorified cable system.
  532.  
  533.      These critics fail to grasp a central rule of the telecosm:
  534. bandwidth is a nearly perfect substitute for switching.  With
  535. sufficient physical bandwidth, it is possible to simulate any kind of
  536. logical switch whatsoever.  Bandwidth allows creation of virtual
  537. switches that to the user seem to function exactly the way physical
  538. switches do.  You can send all messages everywhere in the network,
  539. include all needed codes and instructions for correcting, decrypting,
  540. and reading them, and allow each terminal to tune into its own
  541. messages on its own wavelength, just like a two-way radio.  When the
  542. terminals are smart enough and the bandwidth great enough, your all
  543. optical network can be as dumb as a stone.
  544.  
  545.      Over the last several years, all optical network experiments have
  546. been conducted around the world, from Bellcore in New Jersey to NTT at
  547. Yokosuka, Japan.  British Telecom has used wavelength division
  548. multiplexing to link four telephone central offices in London.
  549. Columbia's Telecom Center has launched a "Teranet" that lacks tunable
  550. lasers or receivers but can logically simulate them.  Bell
  551. Laboratories has generated most of the technology but as a long
  552. distance specialist has focussed on the project of sending gigabits of
  553. information thousands of miles without amplifiers.  But only fully
  554. functional system is the Rainbow created by Paul Green at IBM.
  555.  
  556.      As happens so often in this a world of technical disciplines
  557. sliced into arbitrary fortes and fields, the large advances come from
  558. the integrators.  Paul Green is neither a laser physicist, nor an
  559. optical engineer, nor a telecommunications theorist.  At IBM, his work
  560. has ranged from overseeing speech recognition projects at Watson Labs
  561. to shaping company strategy at corporate headquarters in Armonk.  His
  562. most recent success was supervising development of the new APPN
  563. (Advanced Peer to Peer Network) protocol.  According to an IBM
  564. announcement in March, APPN will replace the venerable SNA (systems
  565. network architecture) that has been synonymous with IBM networking for
  566. more than a decade.
  567.  
  568.      Green took some pride in this announcement, but by that time, the
  569. project was long in his past.  He was finishing the copy editing on
  570. his magisterial tome on Fiber Optic Networks (published this summer by
  571. Prentice Hall).  And he was moving on to more advanced versions of the
  572. Rainbow which he and his team had introduced in December 1991 at the
  573. Telecom 91 Conference in Geneva and which has been installed between
  574. the various branches of Watson Laboratories in Westchester County,
  575. N.Y.
  576.  
  577.      As Peter Drucker points out, a new technology cannot displace an
  578. old one unless it is proven at least 10 times better.  Otherwise the
  579. billions of dollars worth of installed base and thousands of engineers
  580. committed to improving the old technology will suffice to block the
  581. new one.  The job of Paul Green's 15 man team at IBM is to meet that
  582. tenfold test.
  583.  
  584.      Green's all optical network creates a fibersphere as neutral and
  585. passive as the atmosphere.  It can be addressed by computers the same
  586. way radios and television sets connect to the air.  Consisting
  587. entirely of unpowered glass and passive spitters and couplers, the
  588. fibersphere is dark and dumb.  Any variety of terminals can
  589. interconnect across it at the same time using any protocols they
  590. choose.
  591.  
  592.      Just as radios in the atmosphere, computer receivers connected to
  593. the fibersphere do not find a series of bits in a message; they tune
  594. into a wavelength or frequency.  Because available Fabry Perot tunable
  595. filters today have larger bandwidth than tunable lasers, Green chose
  596. to locate Rainbow's tuning at the receiver and have transmitters each
  597. operate at a fixed wavelength.  But future networks can use any
  598. combination of tunable equipment at either end.
  599.  
  600.      When Green began the project in 1987, the industry stood in the
  601. same general position as the pioneers of radio in the early years of
  602. that industry.  They had seemingly unlimited bandwidth before them,
  603. but lacked transmitters and receivers powerful enough to use it
  604. effectively.  Radio transmitters suffered "splitting losses" as they
  605. broadcast their signals across the countryside.  Green's optical
  606. messages lose power everytime they are split off to be sent to another
  607. terminal or are tapped by a receiver.
  608.  
  609.      The radio industry solved this problem by the development of the
  610. audion triode amplifier.  Green needed an all optical amplifier to
  611. replace the optoelectronic repeaters that now constitute the most
  612. widespread electronic bottleneck in fiber.  Amplifiers in current
  613. fiber networks first convert the optical signal to an electronic
  614. signal, enhance it, and then convert it back to photons.
  615.  
  616.      Like the pioneers of radio, Green soon had his amplifier in hand.
  617. Following concepts pioneered by David Payne at the University of
  618. Southhampton in England, a Bell Laboratories group led by Emmanuel
  619. Desurvire and Randy Giles developed a workable all optical device.
  620. They showed that a short stretch of fiber doped with erbium, a rare
  621. earth mineral, and excited by a cheap laser diode, can function as a
  622. powerful amplifier over the entire wavelength range of a 25,000
  623. gigahertz system.  Today such photonic amplifiers enhance signals in a
  624. working system of links between Naples and Pomezia on the west coast
  625. of Italy.  Manufactured in packages between two and three cubic inches
  626. in size, these amplifiers fit anywhere in an optical network for
  627. enhancing signals without electronics.
  628.  
  629.      This invention overcame the most fundamental disadvantage of
  630. optical networks compared to electronic networks.  You can tap into an
  631. electronic network as often as desired without weakening the voltage
  632. signal.  Although resistance and capacitance will weaken the current,
  633. there are no splitting losses in a voltage divider.  Photonic signals,
  634. by contrast, suffer splitting losses every time they are tapped; they
  635. lose photons until eventually there are none left.  The cheap and
  636. compact all optical amplifier solves this problem.
  637.  
  638.      Not only did Green and his IBM colleagues create working all
  639. optical networks, they also reduced the interface optoelectronics to a
  640. single microchannel plug-in card that can fit in any IBM PS/2 level
  641. personal computer or R6000 workstation.  Using off-the-shelf
  642. components costing a total of $16,000 per station, Rainbow achieved a
  643. capacity more than 90 times greater than FDDI at an initial cost
  644. merely four times as much.
  645.  
  646.      Just as Jack Kilby's first ICs were not better than previous
  647. adders and oscillators, the Rainbow I is not better in some respects
  648. than rival networks based on electronics.  At present it connects only
  649. 32 computers at a speed of some 300 megabits per second, for a total
  650. bandwidth of 9.5 gigabits.  This rate is huge compared to most other
  651. networks, but it is still well below the target of a system that
  652. provides gigabit rates for every terminal.
  653.  
  654.      A more serious limitation is the lack of packet switching.
  655. Rather than communicating down a dedicated connection between two
  656. parties, like phones do, computer networks send data in small batches,
  657. called packets, each bearing its own address.  This requires switching
  658. back and forth between packets millions of times a second.  Neither
  659. the current Rainbow's lasers nor its filters can tune from one message
  660. to another more than thousands of times a second.  This limitation is
  661. a serious problem for links to mainframes and supercomputers that may
  662. do many tasks at once in different windows on the screen and with
  663. connections to several other machines.
  664.  
  665.      As Green shows, however, all these problems are well on the way
  666. to solution.  A tide of new interest in all optical systems is
  667. sweeping through the world's optical laboratories.  The Pentagon's
  668. Defense Advanced Projects Agency (DARPA) has launched a program for
  669. all optical networking.  With Green installed as the new President of
  670. the IEEE Communications Society, the technical journals are full of
  671. articles on new wavelength division technology.  Every few months
  672. brings new reports of a faster laser with a broader bandwidth, or
  673. filter with faster tuning, or an ingenious new way to use bandwidth to
  674. simulate packet switching.  Today lasers and receivers can switch fast
  675. enough but they still lack the ability to cover the entire bandwidth
  676. needed.
  677.  
  678.      The key point, however, is that as demonstrated both in Geneva
  679. and Armonk, the Green system showed the potential efficiency of all
  680. optical systems.  Even in their initial forms they are more cost
  681. effective in bandwidth per dollar than any other network technology.
  682. Scheduled for introduction within the next two years, Rainbow III will
  683. comprise a thousand stations operating at a gigabit a second, with the
  684. increasingly likely hope of fast packet switching capability.  At that
  685. point, the system will be a compelling commercial product at least
  686. hundreds of times more cost effective than the competition.
  687.  
  688.      Without access to dark fiber, however, these networks will be
  689. worthless.  If the telephone companies fail to supply it, they risk
  690. losing most of the fastest growing parts of their business: the data
  691. traffic which already contributes some 50 percent of their profits.
  692. But there is also a possibility that they will lose much of their
  693. potential consumer business as well: the planned profits in
  694. pay-per-view films and electronic yellow pages.  This is the message
  695. of a second great prophet of dark fiber, Will Hicks of Southbridge,
  696. Massachusetts.
  697.  
  698.      A venerable inventor of scores of optical products, Hicks
  699. believes that Green's view of the future of fiber is too limited.
  700. Using wavelength division, Hicks can see the way to deliver some 500
  701. megahertz two-way connections to all the homes in America for some
  702. $400 per home.  That is fifty times the 10 megahertz total capacity of
  703. an Ethernet (with no one else using it) for some 20 percent of the
  704. cost.  That is capacity in each home for twenty digital two-way HDTV
  705. channels at once at perhaps half the cost of new telephone
  706. connections.  Then, after a large consumer market emerges for fiber
  707. optics, Hicks believes, Green's sophisticated computer services will
  708. follow as a matter of course.
  709.  
  710.      The consumer market, Hicks maintains, is the key to lowering the
  711. cost of the components to a level where they can be widely used in
  712. office networks as well.  He cites the example of the compact disk
  713. laser diode.  Once lasers were large and complex devices, chilled with
  714. liquid nitrogen, and costing thousands of dollars; now they are as
  715. small as a grain of salt, cheap as a box of cereal, and more numerous
  716. than phonograph needles.  An executive at Hitachi told Hicks that
  717. Hitachi could work a similar transformation on laser diodes and
  718. amplifiers for all optical networks.  "Just tell me what price you
  719. want to pay and I'll tell you how many you have to buy."
  720.  
  721.      The divergence of views between the IBM executive and the wildcat
  722. inventor, however, is far less significant than their common vision of
  723. dark fiber as the future of communications.  By the power of ever
  724. cheaper bandwidth, it will transform all industries of the coming
  725. information age just as radically as the power of cheaper transistors
  726. transformed the industries of the computer age.
  727.  
  728.      For the telephone companies, the age of ever smarter terminals
  729. mandates the emergence of ever dumber networks.  This is a major
  730. strategic challenge; it takes a smart man to build a dumb network.
  731. But the telcos have the best laboratories and have already developed
  732. nearly all the components of the fibersphere.
  733.  
  734.      Telephone companies may complain of the large costs of the
  735. transformation of their system, but they command capital budgets as
  736. large as the total revenues of the cable industry.  Telcos may recoil
  737. in horror at the idea of dark fiber, but they command webs of the
  738. stuff ten times larger than any other industry.  Dumb and dark
  739. networks may not fit the phone company self-image or advertising
  740. posture.  But they promise larger markets than the current phone
  741. company plan to choke off their future in the labyrinthine nets of an
  742. "intelligent switching fabric" always behind schedule and full of
  743. software bugs.
  744.  
  745.      The telephone companies cannot expect to impose a uniform network
  746. governed by universal protocols.  The proliferation of digital
  747. protocols and interfaces is an inevitable effect of the promethean
  748. creativity of the computer industry.  Green explains, "You cannot fix
  749. the protocol zoo.  You must use bandwidth to accommodate the zoo."
  750.  
  751.      As Robert Pokress, a former switch designer at Bell Labs now head
  752. of Unifi Corporation, points out, telephone switches (now 80 percent
  753. software) are already too complex to keep pace with the efflorescence
  754. of relatively simple computer technology on their periphery.  While
  755. computers become ever more lean and mean, turning to reduced
  756. instruction set processors, networks need to adopt reduced instruction
  757. set architectures.  The ultimate in dumb and dark is the fibersphere
  758. now incubating in their magnificent laboratories.
  759.  
  760.      The entrepreneurial folk in the computer industry may view this
  761. wrenching phone company adjustment with some satisfaction.  But the
  762. fact is that computer companies face a strategic reorientation as
  763. radical as the telcos do.  In a world where ever smarter terminals
  764. require ever dumber communications, computer networks are as gorged
  765. and glutted with smarts as phone company networks and even less
  766. capacious.  The nation's most brilliant nerds, commanding the 200 MIPS
  767. Silicon Graphics superstations or Mac Quadra multimedia power plants,
  768. humbly kneel before the 50 kilobit lines of the Internet and beseech
  769. the telcos to upgrade to 64 kilobit basic ISDN.
  770.  
  771.      Now addicted to the use of transistors to solve the problems of
  772. limited bandwidth, the computer industry must use transistors to
  773. exploit the opportunities of nearly unlimited bandwidth.  When
  774. home-based machines are optimized for manipulating high resolution
  775. digital video at high speeds, they will necessarily command what are
  776. now called supercomputer powers.  This will mean that the dominant
  777. computer technology will emerge first not in the office market but in
  778. the consumer market.  The major challenge for the computer industry is
  779. to change its focus from a few hundred million offices already full of
  780. computer technology to a billion living rooms now nearly devoid of it.
  781.  
  782.      Cable companies possess the advantage of already owning dumb
  783. networks based on the essentials of the all optical model of broadcast
  784. and select-- of customers seeking wavelengths or frequencies rather
  785. than switching circuits.  Cable companies already provide all the
  786. programs to all the terminals and allow them to tune in to the desired
  787. messages.  Uniquely in the world, U.S.  cable firms already offer a
  788. broadband pipe to ninety percent of American homes.  These coaxial
  789. cables, operating at one gigahertz for several hundred feet, provide
  790. the basis for two way broadband services today.  But the cable
  791. industry cannot become a full service supplier of telecommunications
  792. until it changes its self-image from a cheap provider of one way
  793. entertainment services into a common carrier of two way information.
  794. Above all, the cable industry cannot succeed in the digital age if it
  795. continues to regard the personal computer as an alien and irrelevant
  796. machine.
  797.  
  798.      Analogous to the integrated circuit in its economic power, the
  799. all optical network is analogous to the massively parallel computer in
  800. its technical paradigm.  In the late 1980s in computers, the effort to
  801. make one processor function ever faster on a serial stream of data
  802. reached a point of diminishing returns.  Superpipelining and
  803. superscalar gains hit their limits.  Despite experiments with
  804. Josephson Junctions, high electron mobility, and cryogenics, usable
  805. transistors simply could not made to switch much faster than a few
  806. gigahertz.
  807.  
  808.      Computer architects responded by creating machines with multiple
  809. processors operating in parallel on multiple streams of data.  While
  810. each processor worked more slowly than the fastest serial processors,
  811. thousands of slow processors in parallel could far outperform the
  812. fastest serial machines.  Measured by cost effectiveness, the
  813. massively parallel machines dwarfed the performance of conventional
  814. supercomputers.
  815.  
  816.      The same pattern arose in communications and for many of the same
  817. reasons.  In the early 1990s the effort to increase the number of bits
  818. that could be time division multiplexed down a fiber on a single
  819. frequency band had reached a point of diminishing returns.  Again the
  820. switching speed of transistors was the show stopper.  The architects
  821. of all optical networks responded by creating systems which can use
  822. not one wavelength or frequency but potentially thousands in parallel.
  823.  
  824.      Again, the new systems could not outperform time division
  825. multiplexing on one frequency.  But all optical networks opened up a
  826. vast vista of some 75 thousand gigahertz of frequencies potentially
  827. usable for communications.  That immense potential of massively
  828. parallel frequencies left all methods of putting more bits on a single
  829. set of frequencies look as promising as launching computers into the
  830. chill of outer space in order to accelerate their switching speeds.
  831.  
  832.      Just as the law of the microcosm made all terminals smart,
  833. distributing intelligence from the center to the edges of the network,
  834. so the law of the telecosm creates a network dumb enough to
  835. accommodate the incredible onrush of intelligence on its periphery.
  836. Indeed, with the one chip supercomputer on the way, manufacturable for
  837. under a hundred dollars toward the end of the decade, the law of the
  838. microcosm is still gaining momentum.  The fibersphere complements the
  839. promise of ubiquitous computer power with equally ubiquitous
  840. communications.
  841.  
  842.      What happens, however, when not only transistors but also wires
  843. are nearly free?  As Robert Lucky observes in his forward to Paul
  844. Green's book, "Many of us have been conditioned to think that
  845. transmission is inherently expensive; that we should use switching and
  846. processing wherever possible to minimize transmission." This is the
  847. law of the microcosm.  But as Lucky speculates, "The limitless
  848. bandwidth of fiber optics changes these assumptions.  Perhaps we
  849. should transmit signals thousands of miles to avoid even the simplest
  850. processing function." This is the law of the telecosm: use bandwidth
  851. to simplify everything else.
  852.  
  853.      Daniel Hillis of Thinking Machines Corporation offers a similar
  854. vision, adding to Lucky's insight the further assertion that massively
  855. parallel computer architectures are so efficient that they can
  856. overthrow the personal computer revolution.  Hillis envisages a
  857. powerplant computer model, with huge Thinking Machines at the center
  858. tapped by millions of relatively dumb terminals.
  859.  
  860.      All these speculations assume that the Law of the Telecosm usurps
  861. the Law of the Microcosm.  But in fact the two concepts function in
  862. different ways in different domains.
  863.  
  864.      Electronic transistors use electrons to control, amplify, or
  865. switch electrons.  But photonics differ radically from electronics.
  866. Because moving photons do not affect one another on contact, they
  867. cannot readily be used to control, amplify, or switch each other.
  868. Compared to electrons, moreover, photons are huge: infrared photons at
  869. 1550 or 1300 nanometers are larger than a micron across.  They resist
  870. the miniaturization of the microcosm.  For computing, photons are far
  871. inferior to electrons.  With single electron electronics now in view,
  872. electrons will keep their advantage.  For the foreseeable future,
  873. computers will be made with electrons.
  874.  
  875.      What are crippling flaws for photonic computing, however, are
  876. huge assets for communicating.  Because moving photons do not collide
  877. with each other or respond to electronic charges, they are inherently
  878. a two way medium.  They are immune to lightning strikes,
  879. electromagnetic pulses, or electrical power surges that destroy
  880. electronic equipment.  Virtually noiseless and massless pulses of
  881. radiation, they move as fast and silently as light.
  882.  
  883.      Listening to the technology, as Caltech prophet Carver Mead
  884. recommends, one sees a natural division of labor between photonics and
  885. electronics.  Photonics will dominate communications and electronics
  886. will dominate computing.  The two technologies do not compete; they
  887. are beautiful complements of each other.
  888.  
  889.      The law of the microcosm makes distributed computers (smart
  890. terminals) more efficient regardless of the cost of linking them
  891. together.  The law of the telecosm makes dumb and dark networks more
  892. efficient regardless of how numerous and smart are the terminals.
  893. Working together, however, these two laws of wires and switches impel
  894. ever more widely distributed information systems.
  895.  
  896.      It is the narrow bandwidth of current phone company connections
  897. that explains the persistence of centralized computing in a world of
  898. distributed machines.  Narrowband connections require smart interfaces
  899. and complex protocols and expensive data.  Thus you get your online
  900. information from only a few databases set up to accommodate queries
  901. over the phone lines.  You limit television broadcasting to a few
  902. local stations.  Using the relatively narrowband phone network or
  903. television system, it pays to concentrate memory and processing at one
  904. point and tap into the hub from thousands of remote locations.
  905.  
  906.      Using a broadband fiber system, by contrast, it will pay to
  907. distribute memory and services to all points on the network.
  908. Broadband links will foster specialization.  If the costs of
  909. communications are low, databases, libraries, and information services
  910. can specialize and be readily reached by customers from anywhere.  On
  911. line services lose the economies of scale that lead a firm such as
  912. Dialog to attempt to concentrate most of the world's information in
  913. one set of giant archives.
  914.  
  915.      By making bandwidth nearly free, the new integrated circuit of
  916. the fibersphere will radically change the environment of all
  917. information industries and technologies.  In all eras, companies tend
  918. to prevail by maximizing the use of the cheapest resources.  In the
  919. age of the fibersphere, they will use the huge intrinsic bandwidth of
  920. fiber, all 25 thousand gigahertz or more, to replace nearly all the
  921. hundreds of billions of dollars worth of switches, bridges, routers,
  922. converters, codecs, compressors, error correctors, and other devices,
  923. together with the trillions of lines of software code, that pervade
  924. the intelligent switching fabric of both telephone and computer
  925. networks.
  926.  
  927.      The makers of all this equipment will resist mightily.  But there
  928. is no chance that the old regime can prevail by fighting cheap and
  929. simple optics with costly and complex electronics and software.
  930.  
  931.      The all optical network will triumph for the same reason that the
  932. integrated circuit triumphed: it is incomparably cheaper than the
  933. competition.  Today, measured by the admittedly rough metric of MIPS
  934. per dollar, a personal computer is more than one thousand times more
  935. cost effective than a mainframe.  Within 10 years, the all optical
  936. network will be millions of times more cost effective than electronic
  937. networks.  Just as the electron rules in computers, the photon will
  938. rule the waves of communication.
  939.  
  940.      The all optical ideal will not immediately usurp other
  941. technologies.  Vacuum tubes reached their highest sales in the late
  942. 1970s.  But just as the IC inexorably exerted its influence on all
  943. industries, the all optical technology will impart constant pressure
  944. on all other communications systems.  Every competing system will have
  945. to adapt to its cost structure.  In the end, almost all electronic
  946. communications will go through the wringer and emerge in glass.
  947.  
  948.      This is the real portent of the dark fiber case wending its way
  949. through the courts.  The future of the information age depends on the
  950. rise of dumb and dark networks to accommodate the onrush of ever
  951. smarter electronics.  Ultimately at stake is nothing less than the
  952. future of the computer and communications infrastructure of the U.S.
  953. economy, its competitiveness in world markets, and the consummation of
  954. the age of information.  Although the phone companies do not want to
  955. believe it, their future will be dark.
  956.  
  957.                                   #####
  958.  
  959. Channel 1 (R)   Cambridge, MA
  960.  
  961.