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2022/5/31 18:41

北邮张杰:强算降碳需求下,光通信绿色底座的“天赋”

C114通信网  安迪

C114讯 5月31日消息(安迪)在今天由中国国际光电博览会(CIOE)和C114联合主办的“2022中国光通信高质量发展论坛”上,北京邮电大学电子工程学院执行院长张杰发表了“强算降碳需求下的光网络新机遇”主题演讲。

张杰表示,数字经济的核心需求在于算力,算力供给的增长是需要付出代价的,最突出的就是ICT行业能耗不断增加。强算降碳需求下,光通信技术是支撑全时全域互联的绿色底座,除了促进ICT系统本身的节能需求之外,光网络的应用还可以赋能其他行业进行数字化降碳。

数字经济催生强算降碳新需求

当前,数字经济成为继农业经济、工业经济之后的主要经济形态,是以数据资源为关键要素,以现代信息网络为主要载体,以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力,促进公平与效率更加统一的新经济形态。

“数字经济的核心需求在于算力,也就是信息系统的计算能力。”张杰指出,我国数字经济活跃、强算需求迫切的东部地区面临能源、土地等资源压力,大规模发展数据中心等算力基础设施难以为继。为有效解决我国东西部算力资源供需不均衡的问题,2022年2月国家启动了“东数西算”工程,通过构建数据中心、云计算、大数据一体化的新型算力网络体系,将东部算力需求有序引导到西部,优化数据中心建设布局,促进东西部协同联动。

数字经济高质量发展的同时,能耗问题也十分突出。张杰指出,算力供给的增长是需要付出代价的,最突出的一点就是ICT行业能耗的不断增加。据统计,2020年全球ICT行业的电力消耗占全社会总耗电量的约5-6%。在消耗大量电力的背后,本质上还是碳的排放问题。而光网络可以“带宽换算力”,提升分布式计算性能。除了能够不断增加数据中心之间互联带宽的规模,光通信技术发展对提升数据节点的算力水平能够起到积极作用。一方面,利用大容量、低时延特性,光通信网可以支撑广域分布的计算资源协同运行,进而释放算力设施的服务能力;另一方面,新型的光学计算技术可提供低能耗高质量的算力资源,有望在专用计算业务场景中实现规模应用。

此外,光网络引入“冷光”代替“热电”,能够助力“双碳”目标实现。据张杰介绍,为了应对全球气温上升问题,我国提出要努力争取2030年前二氧化碳排放达到峰值,2060年前实现碳中和。公开数据显示,2020年ICT行业的碳排放量占全社会总排放规模的约2%。按照国际电信联盟的建议,ICT行业到2030年需要降低45%的碳排放来满足巴黎气候协定的目标。然而,当前的碳排放量水平距离这一目标还可以说是“任重而道远”。

光网络内生三大绿色能效优势

光通信的“天职”是接入+传送+交换=光层联网。在张杰看来,强算降碳需求下,与无线、铜缆、IP等技术相比,针对节能降碳需求,光网络本身具有内生的天然优势和“天赋”,光通信技术是支撑全时全域互联的绿色底座,具有明显的能效优势,主要体现在以下三个方面:

接入方面,基于PON光接入系统能效水平较传统的接入方式可改善超过50%;传送方面,基于OTN/OXC的光传送网较IP骨干网也具有显著的能耗优势;交换方面,光电路交换的能耗水平约为传统电分组交换的1%,优势尤为明显。

一是从电交换到光交换,降低数据中心能耗水平。围绕数据中心交换,传统基于电的交换设备的能耗占到数据中心网络设备能耗的40%,且正随着交换速率的上升非线性地增长,未来将会对数据中心网络的能耗问题造成极大的挑战。为了应对此类问题,业界已经对基于光的快速交换技术展开了数十年的研究,并取得了长足进展。最新的光交换技术把交换重配置时延由毫秒级降到亚纳秒级,已经与电分组交换的性能非常接近,但是1Gbps的交换功率仅为1-2mW。随着快速光交换技术的成熟,未来光交换系统在数据中心网络中的份额将快速增长,为节约数据中心网络的降能耗做出显著贡献。

二是从分组到OSU单元,助力数据传送高效节能。骨干网方面,目前的光传送技术主要提供大容量数据传输管道,以实现数据的远途传送,而业务相关的连接和交换工作仍由上层中的IP路由器完成。随着互联网流量和连接数量的增长,骨干网中IP路由器相关的能耗显得尤为突出。为了应对该挑战,光业务单元技术正在推动光传送网由面向管道服务模式向面向业务服务模式的发展。相较于传统的OTN技术,光业务网技术的带宽颗粒更小,可以到2M级别,且具有无损调整的能力,未来将极大扩展网络的联接规模,并同时将业务连接的范围由骨干网扩展到网络边缘,进而减少IP路由器交换需求,从而降低传送网的能耗。

三是光进铜退,实现宽带接入的节能降碳目标。接入网方面,PON凭借无源化特征具有显著的低能耗优势,已经在网络边缘宽带接入场景中得到了广泛应用。根据统计数据,中国FTTH/B接入渗透率在2018年已经达到80.1%,在宽带接入方面呈现出明显的“光进铜退”趋势。PON在FTTH/B场景下的规模应用已经为接入网领域的节能降碳做出了重要贡献。此外,工业PON技术还在工业领域延伸拓展新的应用场景。2020年,中国工业互联网产业联盟发布了“工业PON 2.0白皮书”,规范了PON在工业领域的应用需求。预期未来PON技术在工业互联网也将凭借低时延高可靠的优势得到应用,进一步降低工业领域信息接入的能耗水平。

赋能行业低碳应用

除了促进ICT系统本身的节能需求之外,张杰认为,光网络的应用还可以赋能其他行业进行数字化降碳。光通信技术围绕ICT新基建具备了降碳的潜力:第一,光网络可以和电力系统进行协同,例如“东数西算”战略工程中,大容量高可靠的光纤网络使得数据中心可以随着电力生产设施分布进行优化设置,一方面可以提高清洁能源使用比例;另一方面还可以实现信息传输和电力传输的置换,减少长途电力传输的损耗。第二,光网络还可以与算力系统进行协同,如在算力网络中,大容量低时延的光通信基础设施可以提升数据中心的跨域协作能力,使得闲置算力设施可以得到充分利用,同时还可以支撑算力与网络进行联合服务,提升端到端服务质量,间接实现ICT系统的降碳。

例如,电力行业是一个典型的高碳排放行业,而光网络也可以助力电力系统的绿色发展。张杰介绍称,据统计,2021年全球电力系统碳排放量大约在120亿吨,占到全球温室气体排放量的近1/3。然而,电力系统中的能量使用效率却只有约1/3,意味着仅电力行业的能量浪费就占到了全球碳排放的2/9。这些能量浪费主要发生在三个环节—电力生产、电力输送和分发、电力使用。其中,电力生产环节能量浪费超过50%,而电力传输分发环节能量浪费超过5%。如果能够在这两个环节提升8%的效率,所节省的电能则相当于现在全球钢铁生产、照明和烹饪消耗的电力总和。可见,电网的碳排放具有非常可观的优化空间。

而随着智能电网技术的发展,电力系统正在由传统的“能源仓库”向一个“数字互联系统”发展。张杰指出,需求方面,数字化技术使电力消费者的需求越来越灵活,通过实时的需求响应和需求聚合,终端消费者可以成为能源市场的直接参与者,帮助电力系统实现更高效的供需平衡;供应方面,数字化技术正在促使能源的供给由集中式向分布式转变,依托可靠的网络互联系统,分布式电力生产者可成为电力市场的重要参与者,提升分布式能源的使用效率。

“光网络正是智能电网信息系统的重要基础设施,为智能电网的分布式生产者和消费者之间的低时延高可靠控制需求提供了重要通信保障。”张杰介绍了光通信技术在智能电网中的应用。

光通信技术在智能电网中的第一个应用是:OTN技术用于长途电力传输与分配负荷控制系统。在智能电网中,随着分布式小型电力生产者和新型电力消费者(如新能源汽车)的参与,传输和配电网络将面临复杂的供需控制工作,而控制系统的时效性和可靠性要求将对电力的传输和分配效率造成直接的影响。OTN技术凭借独享管道的优势,可提供高可靠的确定性网络连接,提升负荷控制系统的稳定性,支撑高精度的需求响应,从而减少电力传输分配过程的损耗。

光通信技术在智能电网中的第二个应用是:PON用于新能源并网负载控制系统。国家发布指导新能源并网政策后,电力网络将面临越来越多的分布式新能源并网需求。由于新能源电力受自然环境影响较强,其电力供应水平常出现频繁的波动,从而对电网的平衡控制和差动保护造成严峻的挑战,进而影响新能源并网的效率。PON技术基于其信道的确定性特征,可为新能源站点的并网控制系统提供低时延、高稳定性的网络连接,进而有效协调电力生产、消费与存储设施,以容纳更高份额的可再生能源并网。

除了电力行业,光通信技术还可以助力其他传统行业进行数字化转型,以信息化的形式促进降碳减排。据估计,信通技术可以赋能其他行业使全球二氧化碳排放量在2030年减少20%,将排放量恢复到2015年的水平。

探索新型节能技术和降碳应用,推动低碳未来

虽然已经具备内生绿色能效优势和助力行业降碳的潜力,但这并不是光网络发展的终点。张杰认为,光网络技术将推动低碳未来,未来的光网络还将继续探索新型的节能技术和降碳应用。

张杰进一步指出,首先,光网络未来的节能技术可以从以下四个方面进行探索:器件与设备方面,研究低能耗光学器件与系统、设备休眠与按需启用机制、高效散热管理辅助系统和组件能耗监测与报告功能;网络架构方面,研究IP与光网络的深度融合方式、能耗感知的网络与业务模型和面向能耗的管控架构与协议;网络管控方面,研究设备休眠与动态扩容管理技术、高效资源分配与流量疏导技术、智能故障诊断与冗余管理技术和其他基于人工智能的优化策略;用户行为方面,发布用户服务效率指标,如流式传输的千瓦时/小时、和开放低碳服务用户接口等。

与此同时,张杰认为,光网络协助其他行业进行节能减排的应用可以从以下四个方面进行尝试——智能制造方面,光网络可以支撑数字孪生、数字供应链和基于云的机器控制等;智能能源方面,光网络可以支撑智能电网、电表、安全监控和大数据能源管理等;智能家居方面,光网络可以支撑家庭自动化、安全与能源管理、可穿戴健康设备管理等;智能交通方面,光网络可以支撑智能交通管理系统、自动驾驶、智能路径规划等。

面向未来,张杰表示,光网络在强算降碳的需求下将在“理论、技术、应用”三个维度实现综合发展。基础理论方面,将沿着“光传感”、“光联接”、“光存算”、“光呈现”四个方面探索强算力低能耗的“通感算呈”一体化理论;技术功能方面,将探索光网络服务于强算需求的“自主自治”、“韧性安全“和”绿色低碳“技术能力;应用方面,将研究光网络在传统行业数字化过程中的应用,赋能其他行业进行数字化降碳。

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