北郵張杰：強算降碳需求下，光通信綠色底座的“天賦”

5月31日消息（安迪）在今天由中國國際光電博覽會（CIOE）和C114聯合主辦的“2022中國光通信高質量發(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絡新機遇”主題演講。

張杰表示，數字經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的綠色底座，除了促進ICT系統本身的節(jié)能需求之外，光網絡的應用還可以賦能其他行業(yè)進行數字化降碳。

數字經濟催生強算降碳新需求

當前，數字經濟成為繼農業(yè)經濟、工業(yè)經濟之后的主要經濟形態(tài)，是以數據資源為關鍵要素，以現代信息網絡為主要載體，以信息通信技術融合應用、全要素數字化轉型為重要推動力，促進公平與效率更加統一的新經濟形態(tài)。

“數字經濟的核心需求在于算力，也就是信息系統的計算能力。”張杰指出，我國數字經濟活躍、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題，2022年2月國家啟動了“東數西算”工程，通過構建數據中心、云計算、大數據一體化的新型算力網絡體系，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，促進東西部協同聯動。

數字經濟高質量發(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。據統計，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，本質上還是碳的排放問題。而光網絡可以“帶寬換算力”，提升分布式計算性能。除了能夠不斷增加數據中心之間互聯帶寬的規(guī)模，光通信技術發(fā)展對提升數據節(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，光通信網可以支撐廣域分布的計算資源協同運行，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量的算力資源，有望在專用計算業(yè)務場景中實現規(guī)模應用。

此外，光網絡引入“冷光”代替“熱電”，能夠助力“雙碳”目標實現。據張杰介紹，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年前實現碳中和。公開數據顯示，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”。

光網絡內生三大綠色能效優(yōu)勢

光通信的“天職”是接入+傳送+交換=光層聯網。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，光網絡本身具有內生的天然優(yōu)勢和“天賦”，光通信技術是支撐全時全域互聯的綠色底座，具有明顯的能效優(yōu)勢，主要體現在以下三個方面：

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50%；傳送方面，基于OTN/OXC的光傳送網較IP骨干網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，未來將會對數據中心網絡的能耗問題造成極大的挑戰(zhàn)。為了應對此類問題，業(yè)界已經對基于光的快速交換技術展開了數十年的研究，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，未來光交換系統在數據中心網絡中的份額將快速增長，為節(jié)約數據中心網絡的降能耗做出顯著貢獻。

二是從分組到OSU單元，助力數據傳送高效節(jié)能。骨干網方面，目前的光傳送技術主要提供大容量數據傳輸管道，以實現數據的遠途傳送，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。隨著互聯網流量和連接數量的增長，骨干網中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。相較于傳統的OTN技術，光業(yè)務網技術的帶寬顆粒更小，可以到2M級別，且具有無損調整的能力，未來將極大擴展網絡的聯接規(guī)模，并同時將業(yè)務連接的范圍由骨干網擴展到網絡邊緣，進而減少IP路由器交換需求，從而降低傳送網的能耗。

三是光進銅退，實現寬帶接入的節(jié)能降碳目標。接入網方面，PON憑借無源化特征具有顯著的低能耗優(yōu)勢，已經在網絡邊緣寬帶接入場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年已經達到80.1%，在寬帶接入方面呈現出明顯的“光進銅退”趨勢。PON在FTTH/B場景下的規(guī)模應用已經為接入網領域的節(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)互聯網產業(yè)聯盟發(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)互聯網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系統本身的節(jié)能需求之外，張杰認為，光網絡的應用還可以賦能其他行業(yè)進行數字化降碳。光通信技術圍繞ICT新基建具備了降碳的潛力：第一，光網絡可以和電力系統進行協同，例如“東數西算”戰(zhàn)略工程中，大容量高可靠的光纖網絡使得數據中心可以隨著電力生產設施分布進行優(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信息傳輸和電力傳輸的置換，減少長途電力傳輸的損耗。第二，光網絡還可以與算力系統進行協同，如在算力網絡中，大容量低時延的光通信基礎設施可以提升數據中心的跨域協作能力，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絡進行聯合服務，提升端到端服務質量，間接實現ICT系統的降碳。

例如，電力行業(yè)是一個典型的高碳排放行業(yè)，而光網絡也可以助力電力系統的綠色發(fā)展。張杰介紹稱，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、電力輸送和分發(fā)、電力使用。其中，電力生產環(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在全球鋼鐵生產、照明和烹飪消耗的電力總和。可見，電網的碳排放具有非常可觀的優(yōu)化空間。

而隨著智能電網技術的發(fā)展，電力系統正在由傳統的“能源倉庫”向一個“數字互聯系統”發(fā)展。張杰指出，需求方面，數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，幫助電力系統實現更高效的供需平衡；供應方面，數字化技術正在促使能源的供給由集中式向分布式轉變，依托可靠的網絡互聯系統，分布式電力生產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。

“光網絡正是智能電網信息系統的重要基礎設施，為智能電網的分布式生產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。”張杰介紹了光通信技術在智能電網中的應用。

光通信技術在智能電網中的第一個應用是：OTN技術用于長途電力傳輸與分配負荷控制系統。在智能電網中，隨著分布式小型電力生產者和新型電力消費者（如新能源汽車）的參與，傳輸和配電網絡將面臨復雜的供需控制工作，而控制系統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絡連接，提升負荷控制系統的穩(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中的第二個應用是：PON用于新能源并網負載控制系統。國家發(fā)布指導新能源并網政策后，電力網絡將面臨越來越多的分布式新能源并網需求。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，從而對電網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控制系統提供低時延、高穩(wěn)定性的網絡連接，進而有效協調電力生產、消費與存儲設施，以容納更高份額的可再生能源并網。

除了電力行業(yè)，光通信技術還可以助力其他傳統行業(yè)進行數字化轉型，以信息化的形式促進降碳減排。據估計，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，但這并不是光網絡發(fā)展的終點。張杰認為，光網絡技術將推動低碳未來，未來的光網絡還將繼續(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、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(jiān)測與報告功能；網絡架構方面，研究IP與光網絡的深度融合方式、能耗感知的網絡與業(yè)務模型和面向能耗的管控架構與協議；網絡管控方面，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，如流式傳輸的千瓦時/小時、和開放低碳服務用戶接口等。

與此同時，張杰認為，光網絡協助其他行業(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，光網絡可以支撐數字孿生、數字供應鏈和基于云的機器控制等；智能能源方面，光網絡可以支撐智能電網、電表、安全監(jiān)控和大數據能源管理等；智能家居方面，光網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，光網絡可以支撐智能交通管理系統、自動駕駛、智能路徑規(guī)劃等。

面向未來，張杰表示，光網絡在強算降碳的需求下將在“理論、技術、應用”三個維度實現綜合發(fā)展?；A理論方面，將沿著“光傳感”、“光聯接”、“光存算”、“光呈現”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，將研究光網絡在傳統行業(yè)數字化過程中的應用，賦能其他行業(yè)進行數字化降碳。

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