今天這篇，小棗君和大家聊聊骨干網(wǎng)光通信的一些最新技術(shù)動(dòng)向。
█ 400G，真的來(lái)了
大家也許都有所耳聞，從去年開始，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商骨干網(wǎng)已經(jīng)全面拉開了 400G 商用的帷幕。
先是 2023 年大量的商用驗(yàn)證，然后是集采的全面啟動(dòng)。2024 年，是規(guī)模商用的正式落地。
不久前，2024 年 3 月，中國(guó)移動(dòng)開通了全球首條 400G 全光省際（北京-內(nèi)蒙古）干線，被視為一個(gè)重要的標(biāo)志事件。
骨干網(wǎng)升級(jí) 400G 的原因，是顯而易見的。
一方面，居民數(shù)字生活（高清視頻、遠(yuǎn)程會(huì)議、在線直播、在線游戲等）所帶來(lái)的消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)，仍在持續(xù)。
另一方面，全行業(yè)都在推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，來(lái)自行業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)的流量激增，加劇了骨干網(wǎng)的壓力。
骨干網(wǎng)壓力陡增，還有一個(gè)關(guān)鍵的原因 ——AI 大爆發(fā)。
AIGC 大模型崛起之后，引發(fā)了一股 AI 浪潮。為了滿足 AI 業(yè)務(wù)的需求，需要建設(shè)大量的智算中心。模型從千億參數(shù)向萬(wàn)億參數(shù)發(fā)展，GPU 算力集群也從千卡集群走向萬(wàn)卡集群甚至十萬(wàn)卡集群。
小棗君在以前的文章中介紹過，GPU 算力集群其實(shí)就是海量的 GPU 卡（GPU 服務(wù)器）通過高性能網(wǎng)絡(luò)（例如 InfiniBand、RoCEv2）連接在一起的一個(gè)陣列。它對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性的要求極高，直接影響到訓(xùn)練效率和成本。
僅從 GPU 服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)端口速率來(lái)說(shuō)，就已經(jīng)從單口 400G 起步，甚至要用到 800G 或更高。
以前，GPU 算力集群屬于 DCN（數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)）的范疇?，F(xiàn)在，隨著集群規(guī)模不斷擴(kuò)大，已經(jīng)開始考慮將分布式智算中心應(yīng)用于模型訓(xùn)練。
也就是說(shuō)，將異地的幾個(gè)智算中心，一起用來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練。
這就對(duì) DCI（數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）提出了更高要求，光通信骨干網(wǎng)必須在技術(shù)性能上能夠滿足這一需求。
我們國(guó)家在算力上的戰(zhàn)略，還是秉承了“全國(guó)統(tǒng)籌、整體布局”的思路。從 2022 年 2 月開始，我國(guó)啟動(dòng)了東數(shù)西算工程，打造全國(guó)一體化算力體系。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一方面，我們要建設(shè)大量的數(shù)據(jù)中心（相當(dāng)于電廠），另一方面，也要建設(shè)粗壯的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)（相當(dāng)于輸電網(wǎng)），把這些算力給“流通”起來(lái)，滿足各行各業(yè)的需求。
█ 400G，是如何做到的？
當(dāng)前的光通信骨干網(wǎng)，作為整個(gè)數(shù)字社會(huì)底座的光通信網(wǎng)絡(luò)，必須具備超大帶寬（400G，將來(lái) 800G 甚至 1.6T）、超低時(shí)延（多級(jí)時(shí)延圈）、超大規(guī)模組網(wǎng)（服務(wù)于分布式計(jì)算，以及剛才說(shuō)的 AI 集群）、超高穩(wěn)定性、超高可靠性、超高安全性、超靈活部署、智能運(yùn)維管控等多方面特性。
今天，主要說(shuō)說(shuō)最重要的速率帶寬。
光通信技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，想要實(shí)現(xiàn)速率的提升，無(wú)非就是在以下幾個(gè)方面做文章：
首先，是波特率。
傳輸速率，是比特率，是單位時(shí)間傳送的比特個(gè)數(shù)，單位是 bit / s。
比特率 = 波特率 × 單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。
波特率是單位時(shí)間內(nèi)傳送的碼元符號(hào)（Symbol）的個(gè)數(shù)。波特率越高，每秒傳輸?shù)姆?hào)越多，當(dāng)然信息量就越大，速率就上來(lái)了。
波特率由光器件的能力決定。器件芯片制程越先進(jìn)，波特率越高，速率（比特率）就越高。
目前，CMOS 工藝從 16nm 提高到 7nm 和 5nm，波特率也逐漸從 30+Gbaud 提高到 64+Gbaud、90+Gbaud、128+Gbaud。
現(xiàn)在的 400G 能夠商用，就是得益于波特率能夠達(dá)到 128Gbaud。
再看看調(diào)制方式。
剛才那個(gè)公式，里面的“單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)”，就是調(diào)制方式?jīng)Q定的。
400G 技術(shù)的調(diào)制方案，目前主要有 16QAM、16QAM-PCS（PCS 是概率整形技術(shù)，下次專門介紹）和 QPSK 三種，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
光通信和無(wú)線通信不太一樣，不會(huì)一味追求高階調(diào)制。
調(diào)制階數(shù)越低，對(duì)線路的要求越低，建網(wǎng)成本也越低。所以，長(zhǎng)途骨干網(wǎng)早期設(shè)計(jì)階段的時(shí)候，基本上聚焦于 16QAM 和 QPSK。后來(lái)有了 16QAM-PCS，也加入了競(jìng)爭(zhēng)。
以前沒提“東數(shù)西算”、運(yùn)營(yíng)商們都認(rèn)為 400G 不會(huì)需要太長(zhǎng)距離的傳輸，所以，采用技術(shù)更成熟、價(jià)格更低的低波特率器件，配合調(diào)制階數(shù)較高的 16QAM，是行業(yè)的主流意見。
后來(lái)，一方面因?yàn)閭鬏斁嚯x的要求增加，從 1000 多 km 變成幾千 km，再一個(gè)，128GBaud 波特率器件迅速成熟（在 DCN 場(chǎng)景，800G 迅速崛起，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生刺激和推動(dòng)），為 QPSK 脫穎而出創(chuàng)造了條件。
QPSK 對(duì)非線性的耐受能力更高，相比 16QAM-PCS 可以適當(dāng)提高入纖功率。其次，QPSK 的背靠背 OSNR 門限相比 16QAM-PCS 有優(yōu)化。再有，設(shè)置 QPSK 的通道間隔為 150GHz，使得在傳輸過程中幾乎沒有濾波代價(jià)。
這些優(yōu)勢(shì)，都使得 QPSK 逐漸成為行業(yè)在骨干網(wǎng)和 DCI 的一致首選。
現(xiàn)在，前兩種方案，被考慮的應(yīng)用場(chǎng)景更多是城域或省干。
第三，是擴(kuò)展波段。
波特率和調(diào)制主要影響的是單波速率。一根光纖，是可以有多個(gè)波的，只要頻譜范圍足夠大，就可以了。
單波帶寬 × 單纖波數(shù) = 單纖帶寬。
前面表格寫了，QPSK 400G 的通道間隔達(dá)到 150GHz。傳統(tǒng)的 C 波段和擴(kuò)展 C 波段都不足以滿足頻譜帶寬的需求。
于是，現(xiàn)在逐漸采用了 C6T+L6T 的方式，一共是 12THz 的頻譜帶寬。計(jì)算一下，80 個(gè)波，單波 400G，一起就是單纖 32T 容量。如果犧牲一點(diǎn)距離，用在省干的話，部署 QPSK 或 16QAM-PCS，容量還能再大些，達(dá)到 48T。
關(guān)于波段的詳細(xì)介紹，可以看這里：光通信到底有哪些波段？
擴(kuò)展波段的最大問題，在于器件是否能夠支持，且成本是否可控。這里所說(shuō)的器件，包括 ITLA、CDM、ICR、EDFA 及 WSS 等，涉及到光的收發(fā)和光路交換、放大等。
波段擴(kuò)展的話，還涉及到一個(gè)問題，那就是整合。
現(xiàn)在的波段擴(kuò)展，其實(shí)更像是兩套系統(tǒng)（C 和 L）的簡(jiǎn)單綁定。兩套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作，通過合波的方式，進(jìn)行傳輸，然后到了對(duì)端，再進(jìn)行分波，各自繼續(xù)處理。
兩套系統(tǒng)的話，體積會(huì)更大，功耗會(huì)更高，設(shè)計(jì)也更復(fù)雜。所以，行業(yè)需要研究，怎么進(jìn)行器件整合，真正讓一套系統(tǒng)，同時(shí)支持不同的擴(kuò)展波段。也就是實(shí)現(xiàn)真正的一體化。
光纖通信，除了光模塊和光設(shè)備，還需要關(guān)注光纖。
現(xiàn)在的主流光纖是 G.652D 光纖。400G QPSK，在 G.652D 上，借助 EDFA 放大，也能傳輸 1500km。
行業(yè)經(jīng)過多年的驗(yàn)證，已經(jīng)認(rèn)定，G.654E 光纖是新的繼任者。如果用性能更好的 G.654E，同等條件下，400G QPSK 的傳輸距離，可以增加 30% 以上。
G.654E 光纖已經(jīng)具備規(guī)模化生產(chǎn)的能力，將在長(zhǎng)途干線上進(jìn)行大規(guī)模部署。G.654 系列的一些低損耗光纖，也成為海纜系統(tǒng)跨洋超長(zhǎng)距離傳輸?shù)氖走x。
除了傳統(tǒng)光纖之外。行業(yè)還認(rèn)為，多芯光纖和空心光纖擁有廣闊的應(yīng)用前景。
多芯光纖是一種空分復(fù)用，在一個(gè)光纖里，塞入更多的纖芯，采用少模，可以大幅提升光纖的容量。
空心光纖就更牛逼了，直接把光纖做成空心，用空氣取代玻璃纖芯。
空心光纖被證明可以帶來(lái)更大的容量、更低的時(shí)延，更小的傳輸損耗，以及超低非線性，被行業(yè)一致認(rèn)為是光通信里最具潛力的技術(shù)之一。
█ 400G 的下一步，800G or 1.6T？
400G 正式規(guī)模商用之后，整個(gè)行業(yè)的目光將會(huì)放在 400G 以上（beyond 400G）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系上。
對(duì)于接下來(lái)是搞 800G、1.2T 還是 1.6T，行業(yè)還在加緊論證。
如果想要實(shí)現(xiàn)更高的速率，就必須在“調(diào)制方式 + 波特率”上繼續(xù)做文章。130GBd，或者更高的 260GBd，是必然方向。更高波特率，意味著相關(guān)器件必須跟上，形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。
超過 400G，不能再指望 QPSK 了。16QAM 調(diào)制，是行業(yè)目前普遍認(rèn)可的選項(xiàng)。
波段也需要進(jìn)一步擴(kuò)展。在擴(kuò)展 C 和 L 的基礎(chǔ)上，考慮往 S 波段、U 波段、E 波段等進(jìn)行擴(kuò)展。如果是 C+L+S，那就是 12T+5T，達(dá)到 17THz 的頻寬。
多方面因素相疊加，單根光纖單個(gè)方向傳輸速率超過 100Tbps，指日可待。
在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，800G（基于 100GBd 以上波特率，單通道 100G）已經(jīng)商用了。單通道 200G、400G、800G，只是時(shí)間有早有晚。在這方面，國(guó)外的進(jìn)度更快一些。
隨著容量的不斷提升，帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)也不斷增加。光通信的發(fā)展，說(shuō)白了，依賴于器件、芯片、制程、材料。
想要滿足前面提到的功耗、安全、運(yùn)維等方面的要求，還依賴于工藝、架構(gòu)、封裝、人工智能、數(shù)字孿生等一系列的創(chuàng)新。產(chǎn)業(yè)鏈上下游需要做的工作，還有很多。未來(lái)的路，還很長(zhǎng)。
█ 最后的話
光通信是整個(gè)社會(huì)的數(shù)字動(dòng)脈。這些年，人們對(duì)很多技術(shù)（包括 5G）都提出過質(zhì)疑，但沒有人會(huì)對(duì)光通信提出質(zhì)疑，因?yàn)樗巧鐣?huì)發(fā)展的剛需。
人類數(shù)據(jù)流量不斷增加的趨勢(shì)，在未來(lái)幾十年都是不會(huì)變的。人工智能技術(shù)的高速崛起，會(huì)將這個(gè)趨勢(shì)進(jìn)一步放大。
光通信目前的發(fā)展，是無(wú)法滿足需求的。這意味著，企業(yè)會(huì)有更大的動(dòng)力，投入資源進(jìn)行研發(fā)，以獲得利潤(rùn)。
希望光通信產(chǎn)業(yè)能進(jìn)一步爆發(fā)，為數(shù)智社會(huì)發(fā)展鋪平道路。
參考文獻(xiàn)：
1、《AI 時(shí)代高速光傳輸關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用進(jìn)展及未來(lái)展望》，信通院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，張海懿；
2、《算力網(wǎng)絡(luò)開啟 400G 全光新時(shí)代》，中國(guó)移動(dòng)研究院，段曉東；
3、《AI 時(shí)代的 400G 全光算力互聯(lián)網(wǎng)》，中國(guó)聯(lián)通研究院，唐雄燕。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君
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