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鲜枣课堂:光通信领域有哪些值得关注的技术趋势?

2023-09-18 10:52:10来源:鲜枣课堂新闻标签:通信

这次CIOE中国光博会,整个行业的参与热情很高。总的来看,目前国内光通信行业的关注重点,集中在以下几个方向:



1、400G的全面落地
2、G.654.E光纤的加速部署
3、LPO的崛起
4、FTTR和50G PON
5、高性能算力集群网络

接下来,小枣君就逐一向大家进行解读。

 400G的全面落地

经过产业链上下游的多年准备,今年,国内光通信骨干网终于要迎来400G的全面落地。

根据与会专家提供的信息,在“东数西算”战略的带动下,在“算力网络”的建设愿景下,运营商侧正在积极布局全光运力建设,开展400G建设和试运行:


中国电信方面,建成了大湾区首张400G全光运力网,ChinaNet骨干网完成了400GE IP+光长途传输现网试点。


中国移动方面,建成横跨浙江、江西、湖南、贵州四省的400G全光试验网,2023年底准备启动相关的部署和实施。(据透露,省内400G的集采会在10月份开启。)


中国联通方面,在山东、浙江、上海等多地建成400G试验网。


400G高速互联,是全光运力的再次升级,是全光转发低时延、高速光模块等多种技术的合力。它的目标,就是为了提供确定性的承载,以及品质入算的能力。


目前的现实情况,随着数据中心的大量建设,骨干网带宽需求持续增加。省际出口带宽,整体来看会达到超百T的量级。


在时延方面,我们国家东数西算战略提出的基本要求,是:城市内部要做到1毫秒,城市到枢纽节点5毫秒,枢纽节点和枢纽节点保持20毫秒。


所以这些,都意味着骨干网升级400G迫在眉睫。


经过多年的摸索,基于130GBaud波特率、QPSK调制方式的单波400Gb/s系统,已然成为国内长距离干线建设的首选。


CCSA现在已经完成了城域400G和长距400G的标准发布,城域800G和400G超长距的标准也在编制的过程当中。


在波段扩展方面,C6T+L6T波段(共12个T)也已成为共识。


值得一提的是,除了400G之外,800G、1.6T的技术研究和标准建设也在稳步推进中。部分厂商都已推出了样品,并进行试点。


800G和以上的光模块,在多个标准组织中都在持续的开展。像IPEC、800GPortal和CCSA,已经有了部分标准的发布。大部分的标准可能会在2024-2025年陆续发布。


速度升级看上去很简单,但牵扯到频谱的扩展,光器件的升级,模块的功耗和体积控制,集成度上的要求,以及产业链的复用,真的没有想象中那么简单。


后面的道路,漫长且充满挑战。

 G.654.E光纤的加速部署

相信大家最近也看到了中国移动关于G.654E光纤光缆产品的集中采购招标公告。


这次采购累计8463皮长公里,折合122.79万芯公里。相比2022年的首次654E光纤集采(2134皮长公里,折合33.24万芯公里),这次的集采规模增长近4倍!


G.654E光纤的上量,也是为骨干网400G全面升级进行的铺垫。


G.654.E光纤具备超低损耗、低非线性性的特点,在超长距光传输方面展现了非常好的性能,获得了三大运营商的一致认可,将用于构筑算力网络全网骨干网。


在产业方面,G.654.E光纤已经具备了规模生产的能力,进入了工程应用的阶段。


目前,G.654.E光纤国内总共只有3万皮长公里左右,在整个干线网的占比只有不到3%。未来几年,G.654.E光纤的建设规模潜力巨大。


在性能上,G.654.E光纤的损耗未来还有望优化到0.15dB/km,整个C+L波段的传输平坦度也有可能进一步提升。这对于C+L波段的应用也会带来帮助。


根据数据统计,截止今年6月份,国内光缆网总长度已经达到了6196万公里,长途的光缆线路超过了111万公里。

随着算力网络建设的进一步加速,围绕算力枢纽节点之间,还需要建设130条干线光缆。


这些新建设的新型光缆网,将进一步提升数据的传输带宽和性能,对有利于网络架构的升级。


在光纤光缆方面,还有两个重要的技术方向值得关注。

首先,第一个,是空分复用的多芯少模光纤


空分复用的多芯少模光纤已经成为突破Pbps容量的可行路径。


今年,中国信科集团光通信技术和网络全国重点实验室实现了总传输容量4.1Pb/s、净传输容量3.61P/s的单模19芯光纤传输系统实验。


粤港澳大湾区建设的超级光网络,总长度超过160公里,连接广州和深圳,采用烽火自主的空分复用光纤光缆技术,打造了目前世界上距离最长、容量最大的空分复用光通信系统。


围绕着空分复用这一块的标准化也是在逐步推进中。


在中国通信标准化协会的TC6,已经立项3项空分复用有关的研究课题。去年9月,ITU-T SG15会议发布“空分复用传输有关技术报告”。


总的来说,国内国际的标准组织对这块都是非常关注的。


另一个重要方向,是空心光纤

空心光纤,顾名思义,光纤中心是一个空气或真空芯,而不是玻璃或其他材料。它被认为是一种颠覆性技术,具有大带宽、低时延、低损耗的特点,被广泛看好。


因为整个介质发生了变化,在空气中传输,所以每公里时延降低1.54微秒。


在超低损耗方面,理论最小损耗可以小于0.1dB/km。目前,像南普顿大学公开的是0.174dB/km。


空芯光纤还有一个非常重要的特点,就是具有超低的非线性。


目前,空芯光纤的行业关注度很高。它在光缆结构标准化以及跟传输系统之间的协同创新还处于早期阶段,有很多机构都在参与预研。


空心光纤一个值得关注的瓶颈在拉丝长度。


目前,实心光纤可以拉1万公里。但空心光纤极限也只有10公里,相差3个数量级。这直接带来了巨大的成本差异,影响规模化生产。


 LPO的崛起


去年和今年年初,我们还在热议CPO/NPO。如今,LPO又来了。

前面我们提到,在数据带宽需求的推动下,光模块从400G向800G,进一步向1.6T演进。

速率越来越高,传统可插拔光模块的集成度、功耗等问题将变得非常难以解决。


之前,行业提出了CPO和NPO。现在,又提出LPO(Linear Pluggable Optics,线性可插拔光模块)


LPO通过线性直驱(Linear-drive)技术替换传统的DSP,将对应的整体补偿功能转移到模块的模拟电芯片和对应的ACK Serdes的功能单元中,在低损耗、低功耗、低延时、低成本和热插拔等方面,具有比较大的优势。


LPO保持了模块可插拔形态。根据业界数据,LPO功耗相较传统可插拔光模块下降50%,与CPO接近。


采用线性直驱方案后,硅光、VCSEL、薄膜铌酸锂功耗均可以下降50%左右。


低功耗不仅节省电能,而且能够减少模块内组件的发热。

去掉DSP芯片后,系统减少了对信号复原的时间,延迟大幅降低。


DSP价格较高,400G光模块中,DSP的BOM成本约占20-40%。LPO的Driver和TIA里集成了EQ功能,成本会较DSP上浮少许,但LPO方案还是可以将光模块成本下降许多。


相比于CPO,LPO没有显著改变光模块的封装形式,采用可插拔模块,便于维护,并且可以充分利用现有的成熟技术。


根据预测,LPO将在2024年的年底实现量产。


关于LPO是不是最优解,会议上的专家也有提出不同看法,认为需要通过设计和实验进行深入论证。


LPO不是只有优点,也有缺点。


因为去掉了DSP,所以,需要更强的SerDes去补偿。而更强的SerDes,就意味这成本会变高。

此前应用较为广泛的光模块是基于50G的SerDes,目前400G、800G的光模块都是基于100G的SerDes,以后就是200G的SerDes。


SerDes是指电这块的速率,光这块的速率也有相应的演进,这个演进对光模块的影响是速率在不断提升。

LPO还会带来互联互通的问题。不仅是交换机之间的互联互通,还有传统光模块的互联互通。这使得LPO的应用场景受限。

关于LPO的技术细节还是比较复杂的。后续,小枣君会专门撰文对其进行介绍。

顺便说一下封装

传统的光模块的封装形式多种多样,到了400G、800G、1.6T,这种情况要有所改变。封装格式在不断收敛,比如缩减到QSFP-DD和OSFP,相关的模块可能会缩减到OSFP和CFP8。


封装格式的收敛,对于产业发展来说,是一件好事。

 FTTR和50G PON


在本次会议上,另一个关注重点,就是接入网层面的FTTR和50G PON。


FTTR这两年运营商一直都在积极推动。目前,各运营商已有几百万的用户,据说,年底要突破1000万。


运营商也隐晦表达了,FTTR对家庭用户来说,存在一定的需求不足。所以,FTTR的推广重点,现在开始一定程度地从FTTR-H(面向家庭)转向FTTR-B(面向企业),包括大B和小B(小微企业)。

PON技术方面,目前就是从10G PON转向50G PON。

国内2021年左右开始推动10G PON建设,仅不到3年,整个千兆光网的覆盖已经超过5亿家庭,有超过1亿的千兆用户。

现在,运营商正在积极进行技术验证和储备的,是50G PON。根据预测,2024-2025年,将是50G PON推出的时间。2027-2030年,50G PON将达到一定规模。

目前,50G PON的标准制定工作已经基本成熟。相关产品已经有了不少样机,运营商也组织进行了试用。

从技术层面来说,50G上行的难度和挑战最大。ONU想和以往一样不变,不太现实。要么集成SOA,要么采用大功率激光器,还有待进一步验证。

除了家庭场景之外,运营商开始将PON技术引入到行业场景,例如工业PON。

行业场景对时延有更高要求,所以50G PON需要重点关注时延能力的提升。在工厂多种协议的兼容性上,在远程供电能力上,在抗干扰能力上等各方面,工业PON都是有一定要求的,它的挑战比家用宽带场景要复杂得多。

另外,还需要提一下,OTN的下沉,仍然在推进之中。


OTN点对多点的品质专线,可以支撑OTN进一步向用户延伸,把OTN技术和现有的ODN和传输网、接入网进一步融合。接入侧通过固定的分配,传输侧通过OICO和ODO的硬管道,达到端到端硬隔离的传输。

 高性能算力集群网络


AIGC是今年最火的话题。光通信行业也受到AIGC大模型高速发展的带动,获得了不错的业绩表现。


我今年写过了多篇关于高性能网络的文章,介绍AIGC大模型背后的网络支撑技术。


AIGC大模型需要大量GPU来支撑计算,集群规模越来越大,对集群网络的性能要求极高。


网络的带宽、时延、稳定性和可靠性,直接影响了GPU集群的计算时间,也决定了整个计算的成本。


目前,主流的技术路线就是InfiniBand(IB)和RoCE方案。


IB为英伟达私有协议,成本太高,基本上是后者的3-5倍。所以,越来越多的厂商,选择传统以太网结合RDMA技术改造出来的新型以太网RoCE。


RoCE是开源的,各种厂商都有相关的解决方案,选择余地比较多,性价比高。


目前,国内主要使用的GPU是英伟达A800(A100买不到)。A800的互联带宽是400Gbps,A100是600Gbps。


H100的互联带宽更是高达900Gbps(H800是450Gbps)。


所以国外在抓紧搞基于800G光模块的智算集群。我们还是以400G为主,对800G的需求不算太强烈。但持续的追赶,还是必须的。未来几年,我们就是想办法从400G干到800G。


从宏观来看,RoCE给国内厂商提供了一个很好的赶超机会,也为国内企业发展AIGC大模型提供了选择余地。


好了,以上就是目前国内光通信行业的重点关注领域进展。限于篇幅,很多技术细节上的内容就不深入展开了。


后续,我会针对LPO、空心光纤、50G PON等重点技术,进行专门撰文介绍,敬请关注!


注:本文部分内容,引用自CIOE专题论坛的嘉宾演讲。包括但不限于:
1、《算力时代全光运力关键技术发展趋势和展望》,张海懿;
2、《打造全光底座,实现“联算+联企+联家”》,唐雄燕;
3、《面向算力网络的400G全光网技术创新与应用展望》,李晗;
4、《AI时代的光通信机遇和挑战》,李俊杰;
5、《千兆光网联家联企双轨并进》,敖立;
6、《面向算力网络构建新一代光接入网》,张德朝;
7、《千兆光网技术发展和应用创新》,蒋铭;

(以上内容仅从媒体视角出发,不代表平台立场)
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