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，北京郵電大學電子工程學院執(zhí)行院長張杰發(fā)表了“強算降碳需求下的光網(wǎng)絡新機遇”主題演講。

  張杰表示，數(shù)字經(jīng)濟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。強算降碳需求下，光通信技術是支撐全時全域互聯(lián)的綠色底座，除了促進ICT系統(tǒng)本身的節(jié)能需求之外，光網(wǎng)絡的應用還可以賦能其他行業(yè)進行數(shù)字化降碳。

  數(shù)字經(jīng)濟催生強算降碳新需求

  當前，數(shù)字經(jīng)濟成為繼農(nóng)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(shù)據(jù)資源為關鍵要素，以現(xiàn)代信息網(wǎng)絡為主要載體，以信息通信技術融合應用、全要素數(shù)字化轉(zhuǎn)型為重要推動力，促進公平與效率更加統(tǒng)一的新經(jīng)濟形態(tài)。

  “數(shù)字經(jīng)濟的核心需求在于算力，也就是信息系統(tǒng)的計算能力?！睆埥苤赋?，我國數(shù)字經(jīng)濟活躍、強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題，2022年2月國家啟動了“東數(shù)西算”工程，通過構建數(shù)據(jù)中心、云計算、大數(shù)據(jù)一體化的新型算力網(wǎng)絡體系，將東部算力需求有序引導到西部，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設布局，促進東西部協(xié)同聯(lián)動。

  數(shù)字經(jīng)濟高質(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，光通信技術發(fā)展對提升數(shù)據(jù)節(jié)點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)同運行，進而釋放算力設施的服務能力;另一方面，新型的光學計算技術可提供低能耗高質(zhì)量的算力資源，有望在專用計算業(yè)務場景中實現(xiàn)規(guī)模應用。

  此外，光網(wǎng)絡引入“冷光”代替“熱電”，能夠助力“雙碳”目標實現(xiàn)。據(jù)張杰介紹，為了應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到峰值，2060年前實現(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。然而，當前的碳排放量水平距離這一目標還可以說是“任重而道遠”。

  光網(wǎng)絡內(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，強算降碳需求下，與無線、銅纜、IP等技術相比，針對節(jié)能降碳需求，光網(wǎng)絡本身具有內(nèi)生的天然優(yōu)勢和“天賦”，光通信技術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)基于電的交換設備的能耗占到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡設備能耗的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)絡的能耗問題造成極大的挑戰(zhàn)。為了應對此類問題，業(yè)界已經(jīng)對基于光的快速交換技術展開了數(shù)十年的研究，并取得了長足進展。最新的光交換技術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的成熟，未來光交換系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的份額將快速增長，為節(jié)約數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的降能耗做出顯著貢獻。

  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，目前的光傳送技術主要提供大容量數(shù)據(jù)傳輸管道，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠途傳送，而業(yè)務相關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路由器相關的能耗顯得尤為突出。為了應對該挑戰(zhàn)，光業(yè)務單元技術正在推動光傳送網(wǎng)由面向管道服務模式向面向業(yè)務服務模式的發(fā)展。相較于傳統(tǒng)的OTN技術，光業(yè)務網(wǎng)技術的帶寬顆粒更小，可以到2M級別，且具有無損調(diào)整的能力，未來將極大擴展網(wǎng)絡的聯(lián)接規(guī)模，并同時將業(yè)務連接的范圍由骨干網(wǎng)擴展到網(wǎng)絡邊緣，進而減少IP路由器交換需求，從而降低傳送網(wǎng)的能耗。

  三是光進銅退，實現(xiàn)寬帶接入的節(jié)能降碳目標。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)絡邊緣寬帶接入場景中得到了廣泛應用。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)達到80.1%，在寬帶接入方面呈現(xiàn)出明顯的“光進銅退”趨勢。PON在FTTH/B場景下的規(guī)模應用已經(jīng)為接入網(wǎng)領域的節(jié)能降碳做出了重要貢獻。此外，工業(yè)PON技術還在工業(yè)領域延伸拓展新的應用場景。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)領域的應用需求。預期未來PON技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也將憑借低時延高可靠的優(yōu)勢得到應用，進一步降低工業(yè)領域信息接入的能耗水平。

  賦能行業(yè)低碳應用

  除了促進ICT系統(tǒng)本身的節(jié)能需求之外，張杰認為，光網(wǎng)絡的應用還可以賦能其他行業(yè)進行數(shù)字化降碳。光通信技術圍繞ICT新基建具備了降碳的潛力：第一，光網(wǎng)絡可以和電力系統(tǒng)進行協(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)絡使得數(shù)據(jù)中心可以隨著電力生產(chǎn)設施分布進行優(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)絡還可以與算力系統(tǒng)進行協(xié)同，如在算力網(wǎng)絡中，大容量低時延的光通信基礎設施可以提升數(shù)據(jù)中心的跨域協(xié)作能力，使得閑置算力設施可以得到充分利用，同時還可以支撐算力與網(wǎng)絡進行聯(lián)合服務，提升端到端服務質(zhì)量，間接實現(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)能量浪費超過50%，而電力傳輸分發(fā)環(huán)節(jié)能量浪費超過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?？捎^的優(yōu)化空間。

  而隨著智能電網(wǎng)技術的發(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)字化技術使電力消費者的需求越來越靈活，通過實時的需求響應和需求聚合，終端消費者可以成為能源市場的直接參與者，幫助電力系統(tǒng)實現(xiàn)更高效的供需平衡;供應方面，數(shù)字化技術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)絡正是智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)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了光通信技術在智能電網(wǎng)中的應用。

  光通信技術在智能電網(wǎng)中的第一個應用是：OTN技術用于長途電力傳輸與分配負荷控制系統(tǒng)。在智能電網(wǎng)中，隨著分布式小型電力生產(chǎn)者和新型電力消費者(如新能源汽車)的參與，傳輸和配電網(wǎng)絡將面臨復雜的供需控制工作，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技術憑借獨享管道的優(yōu)勢，可提供高可靠的確定性網(wǎng)絡連接，提升負荷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，支撐高精度的需求響應，從而減少電力傳輸分配過程的損耗。

  光通信技術在智能電網(wǎng)中的第二個應用是：PON用于新能源并網(wǎng)負載控制系統(tǒng)。國家發(fā)布指導新能源并網(wǎng)政策后，電力網(wǎng)絡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，其電力供應水平常出現(xiàn)頻繁的波動，從而對電網(wǎng)的平衡控制和差動保護造成嚴峻的挑戰(zhàn)，進而影響新能源并網(wǎng)的效率。PON技術基于其信道的確定性特征，可為新能源站點的并網(wǎng)控制系統(tǒng)提供低時延、高穩(wěn)定性的網(wǎng)絡連接，進而有效協(xié)調(diào)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)，光通信技術還可以助力其他傳統(tǒng)行業(yè)進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以信息化的形式促進降碳減排。據(jù)估計，信通技術可以賦能其他行業(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(jié)能技術和降碳應用，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)絡發(fā)展的終點。張杰認為，光網(wǎng)絡技術將推動低碳未來，未來的光網(wǎng)絡還將繼續(xù)探索新型的節(jié)能技術和降碳應用。

  張杰進一步指出，首先，光網(wǎng)絡未來的節(jié)能技術可以從以下四個方面進行探索：器件與設備方面，研究低能耗光學器件與系統(tǒng)、設備休眠與按需啟用機制、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)絡架構方面，研究IP與光網(wǎng)絡的深度融合方式、能耗感知的網(wǎng)絡與業(yè)務模型和面向能耗的管控架構與協(xié)議;網(wǎng)絡管控方面，研究設備休眠與動態(tài)擴容管理技術、高效資源分配與流量疏導技術、智能故障診斷與冗余管理技術和其他基于人工智能的優(yōu)化策略;用戶行為方面，發(fā)布用戶服務效率指標，如流式傳輸?shù)那邥r/小時、和開放低碳服務用戶接口等。

  與此同時，張杰認為，光網(wǎng)絡協(xié)助其他行業(yè)進行節(jié)能減排的應用可以從以下四個方面進行嘗試——智能制造方面，光網(wǎng)絡可以支撐數(shù)字孿生、數(shù)字供應鏈和基于云的機器控制等;智能能源方面，光網(wǎng)絡可以支撐智能電網(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)絡可以支撐家庭自動化、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)絡在強算降碳的需求下將在“理論、技術、應用”三個維度實現(xiàn)綜合發(fā)展?；A理論方面，將沿著“光傳感”、“光聯(lián)接”、“光存算”、“光呈現(xiàn)”四個方面探索強算力低能耗的“通感算呈”一體化理論;技術功能方面，將探索光網(wǎng)絡服務于強算需求的“自主自治”、“韌性安全“和”綠色低碳“技術能力;應用方面，將研究光網(wǎng)絡在傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化過程中的應用，賦能其他行業(yè)進行數(shù)字化降碳。