算力時代光通信熱點(diǎn)技術(shù)及發(fā)展探討

  ICC訊 算力作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)核心生產(chǎn)力的重要構(gòu)成，其關(guān)鍵能力釋放離不開通信網(wǎng)絡(luò)的有效支撐。光通信網(wǎng)絡(luò)作為信息基礎(chǔ)設(shè)施重要組成和關(guān)鍵承載底座，主要承擔(dān)著“信息高速公路”和“信息高鐵”的角色。隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷深入，算力應(yīng)用需求呈現(xiàn)出超大帶寬、低時延、靈活連接、低能耗等特征，光通信網(wǎng)絡(luò)將聚焦超大容量傳輸、全光組網(wǎng)、開放自智、光子集成等熱點(diǎn)技術(shù)革新發(fā)展，協(xié)同增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)力，助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展。

  超大容量傳輸多維創(chuàng)新，800Gbit/s研究試用有序推進(jìn)

  如何以技術(shù)革新來提升傳輸容量一直是業(yè)界研究的重點(diǎn)，其中典型方式包括提升單通路速率、擴(kuò)展傳輸頻帶寬度、增加復(fù)用維度、采用新型傳輸介質(zhì)等。

  從提升單通路速率來看，目前整體上400Gbit/s速率相關(guān)應(yīng)用逐步提速，800Gbit/s速率研究和試用積極推動，面向超800Gbit/s速率的研究也在持續(xù)開展。IEEE、OIF、ITU-T、IPEC、CCSA等主要標(biāo)準(zhǔn)化組織競相開展標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

  從擴(kuò)展傳輸頻帶寬度來看，除了擴(kuò)展C波段可用傳輸頻帶之外，面向C+L擴(kuò)展的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，以及S+C+L等拓展的學(xué)術(shù)研究也在加快推動，主要涉及光放大器性能、非線性效應(yīng)均衡、光層器件適配能力等關(guān)鍵問題，預(yù)計未來3～5年上述方式將成為潛在可行的擴(kuò)容方式。

  從增加復(fù)用維度來看，基于少模復(fù)用、多芯復(fù)用、少模+多芯復(fù)用等方式的研究持續(xù)開展，除了海纜系統(tǒng)部分采用多芯復(fù)用技術(shù)之外，其他整體處于實驗室研究或現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用探索階段，例如ECOC在2022年9月報道了日本NICT等公司開展基于15個模式、最遠(yuǎn)48km傳輸距離的現(xiàn)網(wǎng)試驗，但產(chǎn)業(yè)應(yīng)用尚待時日。

  從采用新型傳輸介質(zhì)來看，超低損耗光纖、空芯光纖等成為業(yè)界主要的關(guān)注對象，其中前者已在干線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模商用，而尚處實驗研究階段的空芯光纖因具備大帶寬、低時延、低非線性效應(yīng)等多種優(yōu)勢，潛在應(yīng)用前景備受關(guān)注。

  總體來看，為滿足算力時代不斷涌現(xiàn)的海量高寬帶應(yīng)用需求，業(yè)界未來將聚焦多維路徑，持續(xù)探索超大容量傳輸技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。

  全光組網(wǎng)優(yōu)勢漸顯，業(yè)界加快部署節(jié)奏

  全光網(wǎng)絡(luò)因具備低時延、低能耗和大寬帶等關(guān)鍵特性，在金融交易、生產(chǎn)控制等諸多廣域偏實時、交互型計算業(yè)務(wù)領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)。但是受限于光信息處理和信號傳輸?shù)膶嶋H能力，目前仍無法實現(xiàn)全網(wǎng)范疇均以全光方式進(jìn)行組網(wǎng)，只能根據(jù)光信號的實際傳輸能力，基于ROADM/OXC等節(jié)點(diǎn)和波長通路調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)分區(qū)域部署，并已在干線得到規(guī)模應(yīng)用;而基于光域分組交換等組網(wǎng)機(jī)制，因受光域信號處理、光存儲等限制，目前仍處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及原型應(yīng)用探索階段，近幾年未有明顯突破。

  從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用角度來看，目前業(yè)界更關(guān)注基于光波長通路交叉技術(shù)的逐步革新，如更多的交叉維度，如端口維度從32升級到48、64甚至更高;或者支持更寬的頻譜寬度調(diào)度，如C+L、S+C+L等;以及支持更高的傳輸速率，如400Gbit/s、800Gbit/s以及更高速率等;此外還包括基于不同傳輸波段的交叉技術(shù)研究，以及面向數(shù)據(jù)中心的全光交叉應(yīng)用探索等。

  國內(nèi)三大電信運(yùn)營商高度關(guān)注全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，近幾年相繼提出相關(guān)計劃或組網(wǎng)方案，如中國電信的全光網(wǎng)2.0、中國移動的光電聯(lián)動全光網(wǎng)、中國聯(lián)通的算力時代全光底座等。

  總體來看，受算力時代業(yè)務(wù)發(fā)展新特點(diǎn)和新需求等驅(qū)動，未來全光網(wǎng)絡(luò)部署節(jié)奏將持續(xù)加快。

  開放自智特性關(guān)注度提升，智能化分級測評逐步開展

  光網(wǎng)絡(luò)除具備超大容量、可靠傳輸能力之外，面對基于云網(wǎng)協(xié)同、算網(wǎng)融合等諸多新型業(yè)務(wù)的承載特性，其自身的靈活應(yīng)用創(chuàng)新需求凸顯，與此相關(guān)的開放自智特性引起業(yè)界高度關(guān)注。

  在開放性方面，除引入SDN架構(gòu)等優(yōu)化組網(wǎng)模型、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化南北向管控接口和設(shè)備物理接口以支持開放解耦特性之外，光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身的解耦或者分解也成為業(yè)界關(guān)注的對象，如光轉(zhuǎn)發(fā)單元、無源合分波單元、光放大單元等是否可標(biāo)準(zhǔn)化分解等。鑒于開放解耦涉及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用創(chuàng)新、運(yùn)維模式、綜合成本、產(chǎn)業(yè)發(fā)展競爭及利益博弈等多種交叉因素，業(yè)界對于其未來發(fā)展應(yīng)用模式和部署節(jié)奏尚未達(dá)成共識，目前重點(diǎn)聚焦在城域接入層、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI)等探索應(yīng)用，如中國電信、中國聯(lián)通近期啟動了基于DCI的開放式WDM設(shè)備的招標(biāo)等。

  在自智特性方面，人工智能(AI)技術(shù)引入之后，光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)接口、智能分級和數(shù)據(jù)模型規(guī)范等成為關(guān)注重點(diǎn)。其中架構(gòu)接口主要涉及AI功能模塊與現(xiàn)有管控系統(tǒng)、設(shè)備網(wǎng)元及上層運(yùn)營系統(tǒng)等之間的互動關(guān)系和交互接口;智能分級涉及面向應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等不同元素的智能化等級區(qū)分等;模型規(guī)范涉及數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量等模型及表征參量的規(guī)范構(gòu)建等。目前國內(nèi)已啟動了光網(wǎng)絡(luò)智能化分級和測評工作，同時在CCSA TC6、TC7和TC610等標(biāo)準(zhǔn)工作組設(shè)立了多個標(biāo)準(zhǔn)類研究課題和項目，初步完成了智能分級評估方案，并積極開展評測工作。

  總體而言，作為偏向應(yīng)用創(chuàng)新的技術(shù)方向，光網(wǎng)絡(luò)開放智能特性尚處發(fā)展初期，未來發(fā)展節(jié)奏有待業(yè)界綜合評估、按需推動。

  光模塊集成形態(tài)革新演進(jìn)，硅光應(yīng)用潛力巨大

  光模塊是數(shù)據(jù)中心、光通信網(wǎng)絡(luò)等信息基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)必需單元，也是光子集成技術(shù)應(yīng)用的典型對象。伴隨著接口信號速率、交換機(jī)交換容量等逐步提升，一些挑戰(zhàn)開始出現(xiàn)。如當(dāng)交換機(jī)容量達(dá)到51.2Tbit/s及以上時，接口將出現(xiàn)800Gbit/s及以上速率需求，可插拔式光模塊在系統(tǒng)集成度、功耗等方面面臨挑戰(zhàn)，如何進(jìn)一步優(yōu)化光模塊及適配設(shè)備的集成度、能耗和成本等成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

  針對該問題，目前業(yè)界主要圍繞兩個維度尋求解決方案：一是持續(xù)探索可插拔光模塊及設(shè)備整體架構(gòu)的新技術(shù)途徑，進(jìn)一步提升集成度并降低能耗;二是盡可能壓縮光模塊和交換機(jī)等設(shè)備的芯片間電域信號傳輸距離，典型的實現(xiàn)方式如板上光學(xué)(OBO)和光電合封(CPO)等。兩種方式的共性是設(shè)備面板直接出光，典型的差異是板內(nèi)設(shè)備芯片與光模塊組件的集成形態(tài)不同，其中OBO將兩者放置在共同PCB板上，而CPO則將兩者直接共同封裝在一起，以進(jìn)一步提升集成度并降低能耗。

  近兩年在OFC/ECOC等國際光通信頂級會議上，除了基于OSFP、QSFP-DD800等不同封裝的可插拔800Gbit/s光模塊不斷亮相之外，CPO模塊封裝形式同樣成為關(guān)注熱點(diǎn)，Intel、Broadcom、Ranovus、Scintil Photonics、Molex等公司展示了基于CPO形態(tài)的不同產(chǎn)品或技術(shù)方案，國內(nèi)主流光模塊廠商積極跟進(jìn)，OIF、IPEC、CCSA等標(biāo)準(zhǔn)化組織也已啟動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范工作。

  鑒于硅光技術(shù)具有高集成度、高速率，以及與現(xiàn)有COMS工藝兼容性好等特性，目前公開的CPO產(chǎn)品主要基于硅光技術(shù)實現(xiàn)。業(yè)界一致看好硅光未來發(fā)展?jié)摿?，預(yù)計將與III-V族半導(dǎo)體集成技術(shù)并存發(fā)展，中國信通院也聯(lián)合上海新微、中科光芯、中興光電子等單位基于專項支持構(gòu)建了面向5G的光電子芯片與器件技術(shù)公共服務(wù)平臺，主要開展硅光、III-V族激光器等基礎(chǔ)工藝和檢測驗證等共性技術(shù)研究，并提供公共服務(wù)。

  總體來看，未來幾年800Gbit/s及以上速率光模塊將以可插拔和CPO兩種形態(tài)并存發(fā)展，基于CPO的應(yīng)用占比預(yù)計將逐步提升，其中硅光是關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。