北郵張杰：強(qiáng)算降碳需求下，光通信綠色底座的“天賦”

  在2022中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇上，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院執(zhí)行院長張杰發(fā)表了“強(qiáng)算降碳需求下的光網(wǎng)絡(luò)新機(jī)遇”主題演講。

  張杰表示，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心需求在于算力，算力供給的增長是需要付出代價的，最突出的就是ICT行業(yè)能耗不斷增加。強(qiáng)算降碳需求下，光通信技術(shù)是支撐全時全域互聯(lián)的綠色底座，除了促進(jìn)ICT系統(tǒng)本身的節(jié)能需求之外，光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用還可以賦能其他行業(yè)進(jìn)行數(shù)字化降碳。

  數(shù)字經(jīng)濟(jì)催生強(qiáng)算降碳新需求

  當(dāng)前，數(shù)字經(jīng)濟(jì)成為繼農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)之后的主要經(jīng)濟(jì)形態(tài)，是以數(shù)據(jù)資源為關(guān)鍵要素，以現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)為主要載體，以信息通信技術(shù)融合應(yīng)用、全要素數(shù)字化轉(zhuǎn)型為重要推動力，促進(jìn)公平與效率更加統(tǒng)一的新經(jīng)濟(jì)形態(tài)。

  “數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心需求在于算力，也就是信息系統(tǒng)的計算能力。”張杰指出，我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)活躍、強(qiáng)算需求迫切的東部地區(qū)面臨能源、土地等資源壓力，大規(guī)模發(fā)展數(shù)據(jù)中心等算力基礎(chǔ)設(shè)施難以為繼。為有效解決我國東西部算力資源供需不均衡的問題，2022年2月國家啟動了“東數(shù)西算”工程，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)中心、云計算、大數(shù)據(jù)一體化的新型算力網(wǎng)絡(luò)體系，將東部算力需求有序引導(dǎo)到西部，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局，促進(jìn)東西部協(xié)同聯(lián)動。

  數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的同時，能耗問題也十分突出。張杰指出，算力供給的增長是需要付出代價的，最突出的一點(diǎn)就是ICT行業(yè)能耗的不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，2020年全球ICT行業(yè)的電力消耗占全社會總耗電量的約5-6%。在消耗大量電力的背后，本質(zhì)上還是碳的排放問題。而光網(wǎng)絡(luò)可以“帶寬換算力”，提升分布式計算性能。除了能夠不斷增加數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)帶寬的規(guī)模，光通信技術(shù)發(fā)展對提升數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的算力水平能夠起到積極作用。一方面，利用大容量、低時延特性，光通信網(wǎng)可以支撐廣域分布的計算資源協(xié)同運(yùn)行，進(jìn)而釋放算力設(shè)施的服務(wù)能力;另一方面，新型的光學(xué)計算技術(shù)可提供低能耗高質(zhì)量的算力資源，有望在專用計算業(yè)務(wù)場景中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

  此外，光網(wǎng)絡(luò)引入“冷光”代替“熱電”，能夠助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。據(jù)張杰介紹，為了應(yīng)對全球氣溫上升問題，我國提出要努力爭取2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。公開數(shù)據(jù)顯示，2020年ICT行業(yè)的碳排放量占全社會總排放規(guī)模的約2%。按照國際電信聯(lián)盟的建議，ICT行業(yè)到2030年需要降低45%的碳排放來滿足巴黎氣候協(xié)定的目標(biāo)。然而，當(dāng)前的碳排放量水平距離這一目標(biāo)還可以說是“任重而道遠(yuǎn)”。

  光網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生三大綠色能效優(yōu)勢

  光通信的“天職”是接入+傳送+交換=光層聯(lián)網(wǎng)。在張杰看來，強(qiáng)算降碳需求下，與無線、銅纜、IP等技術(shù)相比，針對節(jié)能降碳需求，光網(wǎng)絡(luò)本身具有內(nèi)生的天然優(yōu)勢和“天賦”，光通信技術(shù)是支撐全時全域互聯(lián)的綠色底座，具有明顯的能效優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

  接入方面，基于PON的光接入系統(tǒng)能效水平較傳統(tǒng)的接入方式可改善超過50%;傳送方面，基于OTN/OXC的光傳送網(wǎng)較IP骨干網(wǎng)也具有顯著的能耗優(yōu)勢;交換方面，光電路交換的能耗水平約為傳統(tǒng)電分組交換的1%，優(yōu)勢尤為明顯。

  一是從電交換到光交換，降低數(shù)據(jù)中心能耗水平。圍繞數(shù)據(jù)中心交換，傳統(tǒng)基于電的交換設(shè)備的能耗占到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗的40%，且正隨著交換速率的上升非線性地增長，未來將會對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的能耗問題造成極大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對此類問題，業(yè)界已經(jīng)對基于光的快速交換技術(shù)展開了數(shù)十年的研究，并取得了長足進(jìn)展。最新的光交換技術(shù)把交換重配置時延由毫秒級降到亞納秒級，已經(jīng)與電分組交換的性能非常接近，但是1Gbps的交換功率僅為1-2mW。隨著快速光交換技術(shù)的成熟，未來光交換系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的份額將快速增長，為節(jié)約數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的降能耗做出顯著貢獻(xiàn)。

  二是從分組到OSU單元，助力數(shù)據(jù)傳送高效節(jié)能。骨干網(wǎng)方面，目前的光傳送技術(shù)主要提供大容量數(shù)據(jù)傳輸管道，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)途傳送，而業(yè)務(wù)相關(guān)的連接和交換工作仍由上層中的IP路由器完成。隨著互聯(lián)網(wǎng)流量和連接數(shù)量的增長，骨干網(wǎng)中IP路由器相關(guān)的能耗顯得尤為突出。為了應(yīng)對該挑戰(zhàn)，光業(yè)務(wù)單元技術(shù)正在推動光傳送網(wǎng)由面向管道服務(wù)模式向面向業(yè)務(wù)服務(wù)模式的發(fā)展。相較于傳統(tǒng)的OTN技術(shù)，光業(yè)務(wù)網(wǎng)技術(shù)的帶寬顆粒更小，可以到2M級別，且具有無損調(diào)整的能力，未來將極大擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接規(guī)模，并同時將業(yè)務(wù)連接的范圍由骨干網(wǎng)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，進(jìn)而減少IP路由器交換需求，從而降低傳送網(wǎng)的能耗。

  三是光進(jìn)銅退，實(shí)現(xiàn)寬帶接入的節(jié)能降碳目標(biāo)。接入網(wǎng)方面，PON憑借無源化特征具有顯著的低能耗優(yōu)勢，已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)邊緣寬帶接入場景中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國FTTH/B接入滲透率在2018年已經(jīng)達(dá)到80.1%，在寬帶接入方面呈現(xiàn)出明顯的“光進(jìn)銅退”趨勢。PON在FTTH/B場景下的規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)為接入網(wǎng)領(lǐng)域的節(jié)能降碳做出了重要貢獻(xiàn)。此外，工業(yè)PON技術(shù)還在工業(yè)領(lǐng)域延伸拓展新的應(yīng)用場景。2020年，中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布了“工業(yè)PON 2.0白皮書”，規(guī)范了PON在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。預(yù)期未來PON技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也將憑借低時延高可靠的優(yōu)勢得到應(yīng)用，進(jìn)一步降低工業(yè)領(lǐng)域信息接入的能耗水平。

  賦能行業(yè)低碳應(yīng)用

  除了促進(jìn)ICT系統(tǒng)本身的節(jié)能需求之外，張杰認(rèn)為，光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用還可以賦能其他行業(yè)進(jìn)行數(shù)字化降碳。光通信技術(shù)圍繞ICT新基建具備了降碳的潛力：第一，光網(wǎng)絡(luò)可以和電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同，例如“東數(shù)西算”戰(zhàn)略工程中，大容量高可靠的光纖網(wǎng)絡(luò)使得數(shù)據(jù)中心可以隨著電力生產(chǎn)設(shè)施分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，一方面可以提高清潔能源使用比例;另一方面還可以實(shí)現(xiàn)信息傳輸和電力傳輸?shù)闹脫Q，減少長途電力傳輸?shù)膿p耗。第二，光網(wǎng)絡(luò)還可以與算力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同，如在算力網(wǎng)絡(luò)中，大容量低時延的光通信基礎(chǔ)設(shè)施可以提升數(shù)據(jù)中心的跨域協(xié)作能力，使得閑置算力設(shè)施可以得到充分利用，同時還可以支撐算力與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合服務(wù)，提升端到端服務(wù)質(zhì)量，間接實(shí)現(xiàn)ICT系統(tǒng)的降碳。

  例如，電力行業(yè)是一個典型的高碳排放行業(yè)，而光網(wǎng)絡(luò)也可以助力電力系統(tǒng)的綠色發(fā)展。張杰介紹稱，據(jù)統(tǒng)計，2021年全球電力系統(tǒng)碳排放量大約在120億噸，占到全球溫室氣體排放量的近1/3。然而，電力系統(tǒng)中的能量使用效率卻只有約1/3，意味著僅電力行業(yè)的能量浪費(fèi)就占到了全球碳排放的2/9。這些能量浪費(fèi)主要發(fā)生在三個環(huán)節(jié)—電力生產(chǎn)、電力輸送和分發(fā)、電力使用。其中，電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)能量浪費(fèi)超過50%，而電力傳輸分發(fā)環(huán)節(jié)能量浪費(fèi)超過5%。如果能夠在這兩個環(huán)節(jié)提升8%的效率，所節(jié)省的電能則相當(dāng)于現(xiàn)在全球鋼鐵生產(chǎn)、照明和烹飪消耗的電力總和?？梢?，電網(wǎng)的碳排放具有非常可觀的優(yōu)化空間。

  而隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)正在由傳統(tǒng)的“能源倉庫”向一個“數(shù)字互聯(lián)系統(tǒng)”發(fā)展。張杰指出，需求方面，數(shù)字化技術(shù)使電力消費(fèi)者的需求越來越靈活，通過實(shí)時的需求響應(yīng)和需求聚合，終端消費(fèi)者可以成為能源市場的直接參與者，幫助電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高效的供需平衡;供應(yīng)方面，數(shù)字化技術(shù)正在促使能源的供給由集中式向分布式轉(zhuǎn)變，依托可靠的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)，分布式電力生產(chǎn)者可成為電力市場的重要參與者，提升分布式能源的使用效率。

  “光網(wǎng)絡(luò)正是智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，為智能電網(wǎng)的分布式生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的低時延高可靠控制需求提供了重要通信保障?！睆埥芙榻B了光通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

  光通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的第一個應(yīng)用是：OTN技術(shù)用于長途電力傳輸與分配負(fù)荷控制系統(tǒng)。在智能電網(wǎng)中，隨著分布式小型電力生產(chǎn)者和新型電力消費(fèi)者(如新能源汽車)的參與，傳輸和配電網(wǎng)絡(luò)將面臨復(fù)雜的供需控制工作，而控制系統(tǒng)的時效性和可靠性要求將對電力的傳輸和分配效率造成直接的影響。OTN技術(shù)憑借獨(dú)享管道的優(yōu)勢，可提供高可靠的確定性網(wǎng)絡(luò)連接，提升負(fù)荷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，支撐高精度的需求響應(yīng)，從而減少電力傳輸分配過程的損耗。

  光通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的第二個應(yīng)用是：PON用于新能源并網(wǎng)負(fù)載控制系統(tǒng)。國家發(fā)布指導(dǎo)新能源并網(wǎng)政策后，電力網(wǎng)絡(luò)將面臨越來越多的分布式新能源并網(wǎng)需求。由于新能源電力受自然環(huán)境影響較強(qiáng)，其電力供應(yīng)水平常出現(xiàn)頻繁的波動，從而對電網(wǎng)的平衡控制和差動保護(hù)造成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，進(jìn)而影響新能源并網(wǎng)的效率。PON技術(shù)基于其信道的確定性特征，可為新能源站點(diǎn)的并網(wǎng)控制系統(tǒng)提供低時延、高穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)而有效協(xié)調(diào)電力生產(chǎn)、消費(fèi)與存儲設(shè)施，以容納更高份額的可再生能源并網(wǎng)。

  除了電力行業(yè)，光通信技術(shù)還可以助力其他傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以信息化的形式促進(jìn)降碳減排。據(jù)估計，信通技術(shù)可以賦能其他行業(yè)使全球二氧化碳排放量在2030年減少20%，將排放量恢復(fù)到2015年的水平。

  探索新型節(jié)能技術(shù)和降碳應(yīng)用，推動低碳未來

  雖然已經(jīng)具備內(nèi)生綠色能效優(yōu)勢和助力行業(yè)降碳的潛力，但這并不是光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的終點(diǎn)。張杰認(rèn)為，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將推動低碳未來，未來的光網(wǎng)絡(luò)還將繼續(xù)探索新型的節(jié)能技術(shù)和降碳應(yīng)用。

  張杰進(jìn)一步指出，首先，光網(wǎng)絡(luò)未來的節(jié)能技術(shù)可以從以下四個方面進(jìn)行探索：器件與設(shè)備方面，研究低能耗光學(xué)器件與系統(tǒng)、設(shè)備休眠與按需啟用機(jī)制、高效散熱管理輔助系統(tǒng)和組件能耗監(jiān)測與報告功能;網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，研究IP與光網(wǎng)絡(luò)的深度融合方式、能耗感知的網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)模型和面向能耗的管控架構(gòu)與協(xié)議;網(wǎng)絡(luò)管控方面，研究設(shè)備休眠與動態(tài)擴(kuò)容管理技術(shù)、高效資源分配與流量疏導(dǎo)技術(shù)、智能故障診斷與冗余管理技術(shù)和其他基于人工智能的優(yōu)化策略;用戶行為方面，發(fā)布用戶服務(wù)效率指標(biāo)，如流式傳輸?shù)那邥r/小時、和開放低碳服務(wù)用戶接口等。

  與此同時，張杰認(rèn)為，光網(wǎng)絡(luò)協(xié)助其他行業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排的應(yīng)用可以從以下四個方面進(jìn)行嘗試——智能制造方面，光網(wǎng)絡(luò)可以支撐數(shù)字孿生、數(shù)字供應(yīng)鏈和基于云的機(jī)器控制等;智能能源方面，光網(wǎng)絡(luò)可以支撐智能電網(wǎng)、電表、安全監(jiān)控和大數(shù)據(jù)能源管理等;智能家居方面，光網(wǎng)絡(luò)可以支撐家庭自動化、安全與能源管理、可穿戴健康設(shè)備管理等;智能交通方面，光網(wǎng)絡(luò)可以支撐智能交通管理系統(tǒng)、自動駕駛、智能路徑規(guī)劃等。

  面向未來，張杰表示，光網(wǎng)絡(luò)在強(qiáng)算降碳的需求下將在“理論、技術(shù)、應(yīng)用”三個維度實(shí)現(xiàn)綜合發(fā)展?；A(chǔ)理論方面，將沿著“光傳感”、“光聯(lián)接”、“光存算”、“光呈現(xiàn)”四個方面探索強(qiáng)算力低能耗的“通感算呈”一體化理論;技術(shù)功能方面，將探索光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于強(qiáng)算需求的“自主自治”、“韌性安全“和”綠色低碳“技術(shù)能力;應(yīng)用方面，將研究光網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化過程中的應(yīng)用，賦能其他行業(yè)進(jìn)行數(shù)字化降碳。