北郵張杰：強算降碳需求下，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)院執行院長(cháng)張杰發(fā)表了“強算降碳需求下的光網(wǎng)絡(luò )新機遇”主題演講。

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

  數字經(jīng)濟催生強算降碳新需求

  當前，數字經(jīng)濟成為繼農業(yè)經(jīng)濟、工業(yè)經(jīng)濟之后的主要經(jīng)濟形態(tài)，是以數據資源為關(guān)鍵要素，以現代信息網(wǎng)絡(luò )為主要載體，以信息通信技術(shù)融合應用、全要素數字化轉型為重要推動(dòng)力，促進(jìn)公平與效率更加統一的新經(jīng)濟形態(tài)。

  “數字經(jīng)濟的核心需求在于算力，也就是信息系統的計算能力?！睆埥苤赋?，我國數字經(jīng)濟活躍、強算需求迫切的東部地區面臨能源、土地等資源壓力，大規模發(fā)展數據中心等算力基礎設施難以為繼。為有效解決我國東西部算力資源供需不均衡的問(wèn)題，2022年2月國家啟動(dòng)了“東數西算”工程，通過(guò)構建數據中心、云計算、大數據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到西部，優(yōu)化數據中心建設布局，促進(jìn)東西部協(xié)同聯(lián)動(dòng)。

  數字經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)，能耗問(wèn)題也十分突出。張杰指出，算力供給的增長(cháng)是需要付出代價(jià)的，最突出的一點(diǎn)就是ICT行業(yè)能耗的不斷增加。據統計，2020年全球ICT行業(yè)的電力消耗占全社會(huì )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(wèn)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據中心之間互聯(lián)帶寬的規模，光通信技術(shù)發(fā)展對提升數據節點(diǎn)的算力水平能夠起到積極作用。一方面，利用大容量、低時(shí)延特性，光通信網(wǎng)可以支撐廣域分布的計算資源協(xié)同運行，進(jìn)而釋放算力設施的服務(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(zhuān)用計算業(yè)務(wù)場(chǎng)景中實(shí)現規模應用。

  此外，光網(wǎng)絡(luò )引入“冷光”代替“熱電”，能夠助力“雙碳”目標實(shí)現。據張杰介紹，為了應對全球氣溫上升問(wèn)題，我國提出要努力爭取2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實(shí)現碳中和。公開(kāi)數據顯示，2020年ICT行業(yè)的碳排放量占全社會(huì )總排放規模的約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(lái)滿(mǎn)足巴黎氣候協(xié)定的目標。然而，當前的碳排放量水平距離這一目標還可以說(shuō)是“任重而道遠”。

  光網(wǎng)絡(luò )內生三大綠色能效優(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(lái)，強算降碳需求下，與無(wú)線(xiàn)、銅纜、IP等技術(shù)相比，針對節能降碳需求，光網(wǎng)絡(luò )本身具有內生的天然優(yōu)勢和“天賦”，光通信技術(shù)是支撐全時(shí)全域互聯(lián)的綠色底座，具有明顯的能效優(yōu)勢，主要體現在以下三個(gè)方面：

  接入方面，基于PON的光接入系統能效水平較傳統的接入方式可改善超過(guò)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(zhù)的能耗優(yōu)勢;交換方面，光電路交換的能耗水平約為傳統電分組交換的1%，優(yōu)勢尤為明顯。

  一是從電交換到光交換，降低數據中心能耗水平。圍繞數據中心交換，傳統基于電的交換設備的能耗占到數據中心網(wǎng)絡(luò )設備能耗的40%，且正隨著(zhù)交換速率的上升非線(xiàn)性地增長(cháng)，未來(lái)將會(huì )對數據中心網(wǎng)絡(luò )的能耗問(wèn)題造成極大的挑戰。為了應對此類(lèi)問(wèn)題，業(yè)界已經(jīng)對基于光的快速交換技術(shù)展開(kāi)了數十年的研究，并取得了長(cháng)足進(jìn)展。最新的光交換技術(shù)把交換重配置時(shí)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(zhù)快速光交換技術(shù)的成熟，未來(lái)光交換系統在數據中心網(wǎng)絡(luò )中的份額將快速增長(cháng)，為節約數據中心網(wǎng)絡(luò )的降能耗做出顯著(zhù)貢獻。

  二是從分組到OSU單元，助力數據傳送高效節能。骨干網(wǎng)方面，目前的光傳送技術(shù)主要提供大容量數據傳輸管道，以實(shí)現數據的遠途傳送，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(zhù)互聯(lián)網(wǎng)流量和連接數量的增長(cháng)，骨干網(wǎng)中IP路由器相關(guān)的能耗顯得尤為突出。為了應對該挑戰，光業(yè)務(wù)單元技術(shù)正在推動(dòng)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(wú)損調整的能力，未來(lái)將極大擴展網(wǎng)絡(luò )的聯(lián)接規模，并同時(shí)將業(yè)務(wù)連接的范圍由骨干網(wǎng)擴展到網(wǎng)絡(luò )邊緣，進(jìn)而減少I(mǎi)P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)現寬帶接入的節能降碳目標。接入網(wǎng)方面，PON憑借無(wú)源化特征具有顯著(zhù)的低能耗優(yōu)勢，已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò )邊緣寬帶接入場(chǎng)景中得到了廣泛應用。根據統計數據，中國FTTH/B接入滲透率在2018年已經(jīng)達到80.1%，在寬帶接入方面呈現出明顯的“光進(jìn)銅退”趨勢。PON在FTTH/B場(chǎng)景下的規模應用已經(jīng)為接入網(wǎng)領(lǐng)域的節能降碳做出了重要貢獻。此外，工業(yè)PON技術(shù)還在工業(yè)領(lǐng)域延伸拓展新的應用場(chǎng)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(shū)”，規范了PON在工業(yè)領(lǐng)域的應用需求。預期未來(lái)PON技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也將憑借低時(shí)延高可靠的優(yōu)勢得到應用，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)低碳應用

  除了促進(jìn)ICT系統本身的節能需求之外，張杰認為，光網(wǎng)絡(luò )的應用還可以賦能其他行業(yè)進(jìn)行數字化降碳。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 )可以和電力系統進(jìn)行協(xié)同，例如“東數西算”戰略工程中，大容量高可靠的光纖網(wǎng)絡(luò )使得數據中心可以隨著(zhù)電力生產(chǎn)設施分布進(jìn)行優(yōu)化設置，一方面可以提高清潔能源使用比例;另一方面還可以實(shí)現信息傳輸和電力傳輸的置換，減少長(cháng)途電力傳輸的損耗。第二，光網(wǎng)絡(luò )還可以與算力系統進(jìn)行協(xié)同，如在算力網(wǎng)絡(luò )中，大容量低時(shí)延的光通信基礎設施可以提升數據中心的跨域協(xié)作能力，使得閑置算力設施可以得到充分利用，同時(shí)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ICT系統的降碳。

  例如，電力行業(yè)是一個(gè)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的綠色發(fā)展。張杰介紹稱(chēng)，據統計，2021年全球電力系統碳排放量大約在120億噸，占到全球溫室氣體排放量的近1/3。然而，電力系統中的能量使用效率卻只有約1/3，意味著(zhù)僅電力行業(yè)的能量浪費就占到了全球碳排放的2/9。這些能量浪費主要發(fā)生在三個(gè)環(huán)節—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)節能量浪費超過(guò)50%，而電力傳輸分發(fā)環(huán)節能量浪費超過(guò)5%。如果能夠在這兩個(gè)環(huán)節提升8%的效率，所節省的電能則相當于現在全球鋼鐵生產(chǎn)、照明和烹飪消耗的電力總和?？梢?jiàn)，電網(wǎng)的碳排放具有非?？捎^(guān)的優(yōu)化空間。

  而隨著(zhù)智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力系統正在由傳統的“能源倉庫”向一個(gè)“數字互聯(lián)系統”發(fā)展。張杰指出，需求方面，數字化技術(shù)使電力消費者的需求越來(lái)越靈活，通過(guò)實(shí)時(shí)的需求響應和需求聚合，終端消費者可以成為能源市場(chǎng)的直接參與者，幫助電力系統實(shí)現更高效的供需平衡;供應方面，數字化技術(shù)正在促使能源的供給由集中式向分布式轉變，依托可靠的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)系統，分布式電力生產(chǎn)者可成為電力市場(chǎng)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)信息系統的重要基礎設施，為智能電網(wǎng)的分布式生產(chǎn)者和消費者之間的低時(shí)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)中的應用。

  光通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的第一個(gè)應用是：OTN技術(shù)用于長(cháng)途電力傳輸與分配負荷控制系統。在智能電網(wǎng)中，隨著(zhù)分布式小型電力生產(chǎn)者和新型電力消費者(如新能源汽車(chē))的參與，傳輸和配電網(wǎng)絡(luò )將面臨復雜的供需控制工作，而控制系統的時(shí)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，提升負荷控制系統的穩定性，支撐高精度的需求響應，從而減少電力傳輸分配過(guò)程的損耗。

  光通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的第二個(gè)應用是：PON用于新能源并網(wǎng)負載控制系統。國家發(fā)布指導新能源并網(wǎng)政策后，電力網(wǎng)絡(luò )將面臨越來(lái)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，其電力供應水平常出現頻繁的波動(dòng)，從而對電網(wǎng)的平衡控制和差動(dòng)保護造成嚴峻的挑戰，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)控制系統提供低時(shí)延、高穩定性的網(wǎng)絡(luò )連接，進(jìn)而有效協(xié)調電力生產(chǎn)、消費與存儲設施，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行業(yè)進(jìn)行數字化轉型，以信息化的形式促進(jìn)降碳減排。據估計，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%，將排放量恢復到2015年的水平。

  探索新型節能技術(shù)和降碳應用，推動(dòng)低碳未來(lái)

  雖然已經(jīng)具備內生綠色能效優(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)。張杰認為，光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將推動(dòng)低碳未來(lái)，未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò )還將繼續探索新型的節能技術(shù)和降碳應用。

  張杰進(jìn)一步指出，首先，光網(wǎng)絡(luò )未來(lái)的節能技術(shù)可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行探索：器件與設備方面，研究低能耗光學(xué)器件與系統、設備休眠與按需啟用機制、高效散熱管理輔助系統和組件能耗監測與報告功能;網(wǎng)絡(luò )架構方面，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與協(xié)議;網(wǎng)絡(luò )管控方面，研究設備休眠與動(dòng)態(tài)擴容管理技術(shù)、高效資源分配與流量疏導技術(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(hù)行為方面，發(fā)布用戶(hù)服務(wù)效率指標，如流式傳輸的千瓦時(shí)/小時(shí)、和開(kāi)放低碳服務(wù)用戶(hù)接口等。

  與此同時(shí)，張杰認為，光網(wǎng)絡(luò )協(xié)助其他行業(yè)進(jìn)行節能減排的應用可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行嘗試——智能制造方面，光網(wǎng)絡(luò )可以支撐數字孿生、數字供應鏈和基于云的機器控制等;智能能源方面，光網(wǎng)絡(luò )可以支撐智能電網(wǎng)、電表、安全監控和大數據能源管理等;智能家居方面，光網(wǎng)絡(luò )可以支撐家庭自動(dòng)化、安全與能源管理、可穿戴健康設備管理等;智能交通方面，光網(wǎng)絡(luò )可以支撐智能交通管理系統、自動(dòng)駕駛、智能路徑規劃等。

  面向未來(lái)，張杰表示，光網(wǎng)絡(luò )在強算降碳的需求下將在“理論、技術(shù)、應用”三個(gè)維度實(shí)現綜合發(fā)展?；A理論方面，將沿著(zhù)“光傳感”、“光聯(lián)接”、“光存算”、“光呈現”四個(gè)方面探索強算力低能耗的“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)于強算需求的“自主自治”、“韌性安全“和”綠色低碳“技術(shù)能力;應用方面，將研究光網(wǎng)絡(luò )在傳統行業(yè)數字化過(guò)程中的應用，賦能其他行業(yè)進(jìn)行數字化降碳。