作者：邬贺铨院士
编辑：张楠
来源：阿里云研究
互联网的发展演进
互联网最早是学术科研的网络，当互联网进入社会应用，诞生了中外一大批知名的互联网企业，随着移动互联网、云计算、大数据的出现，互联网从数字化、网络化走到了智能化，到现在进入了工业互联网的时代。互联网在发展过程中面临着不断的挑战，整个互联网发展过程是一个创新的过程。
回顾前十年的情况，超算、微处理器以及存储、路由器、交换芯片、无线接口等领域，增长速度年均平均40%甚至到90%。
从2018年到2022年分成三个阶段，可以看到整个通信的网络发展速度在提升，根据Cisco VNI 报告，固网的接入速率五年来增长数倍；过去十年，对时延的要求从40毫秒严格到1毫秒，严格了40倍；全球移动数据流量从2016年到2021年，年均增长47%。
根据这些技术的发展情况，推算到十年的发展水平，可以看到CPU芯片十年增长了64倍，存储器的成本十年下降了2万倍，光纤通讯十年提升了100倍，移动通信的峰值速率提升了1000倍，超算的算力也提升了1000倍，大数据的量提升了32倍，整个通信以及网络的能力在不断提升。
互联网面临的挑战
即便有这样的发展，互联网仍然面临很大的挑战，未来的网络业务可能会瞄准全息的远程传送，要求高精度、确定性，我们在网络上需要引入流量工程、差分服务、尽力而为，这样的业务发展会带来对网络能力新的要求。
以4K、8K的超清电视、虚拟现实、增强现实和全息图象几个领域为例，从吞吐量来讲，全息图象要求4-10个T比特每秒；从时延来讲，要求亚毫秒级的时延要求；从抖动而言，虚拟现实、增强现实以及自动控制要求抖动不能高于0.1毫秒；丢包率要控制在“10的负6”，可用性至少要“5个9”；并发的流量，全息流量、需要上千项的。
可以说面向2030年，网络面临着用户数据速率率要高于一个T比特每秒，而且要引入触觉通信，对时延要求非常严格。另外，我们要求精准的时间同步，也就是确定性，同时要支持多流，服务质量有确定性的，要给用户提供数字体验，还要可信性。也就是说互联网继续发展，会面临可扩展性、确定性、安全性、泛在性、大连接、可管理性、服务质量和能效的要求。
互联网未来的技术发展
01.光纤通信系统容量继续扩展
通过多重的多维度，也可以把光纤比如成跟移动通信那样一代一代的发展。从时分复用时代、波分复用时代、正交频分复用时代，到偏振复用、多模复用时代，现在走到空分复用以及轨道角动量，后续还会进一步长距离走到相干通信。
单纤的容量20年提高了1万倍，目前的水平，单波长可以做到800个G，单纤做到100个T，而没有放大的传输距离到100公里。我们还可以在一根光纤当几根用，多模等等，提高比特率。
那么光纤的理论容限到多少呢？如图所示，现在利用的带宽是25个T赫兹，实际上在每公里小于0.35dB的这个限度内，我们可利用的波长52个T赫兹，也就相当于380纳米。根据香农定理可以计算出来，无论怎么设计波长数和每个波长间隔，如果把波分复用考虑进去，光纤大概至少可以支持到260T比特每秒，目前的容量与之还有一定的距离。
当然光纤通讯发展离不开我们的光的器件，2020年硅光芯片可以实现了1.6个Tb（Tbps）的传输，还有400G（Gbps）的交换能力，未来的硅光可以把整个380纳米的波长都利用上，将来还可以把光电子跟微电子集成，现在利用相干技术，干线的光单波长可以做到T比特，单纤可以做到P比特，长距离至少也能做到100T比特。
接入网从10G（PON）到100G（PON），将来还会从光纤到户到光纤到房间。空间激光现在也发展得很快，5Gb（Gbps）的星地4万公里已经实验成功了，10年以后也许可以做到100个G比特每秒。
02.新一代无线与移动通信技术
我们再来看看移动通信，第一代移动通信是模拟的，靠频率的分割来支撑用户；以GSM为代表的2G是数字的，以时隙的不同区分用户；3G都是CDMA码分多址；4G把时分、频分、码分利用起来，做到峰值速率100兆；现在5G在多址方式跟4G的上面演进，峰值速率可以做到20个G比特。
基本上移动通信是10年一代，每一代是前一代峰值速率的1000倍。未来十年，我们会走到6G的时代，峰值速率有可能做到100个G，技术上主要利用把基站做得更密、把天线做得更多、把频率利用得更好，把物理层的技术进一步地改进。
5G跟4G比，在多项性能上有1到2个数量级的提升，我们会按照增强移动宽带高可靠、低时延、广覆盖、大连接，去发展6G的业务。6G的特点是更高的速率，峰值可以100G甚至到1个T；更高的频段，可以到太赫兹，单信道带宽可以上G赫兹，未来可以实现天地的协同，更加绿色、智能、安全。可以支持的技术现在已经有一些设想，但是这些都有待未来进一步的创新过程中，通过实践，通过实验来验证。
除了5G作为无线技术，WiFi也发展很快，今年WiFi6就可以到8-9G比特， WiFi技术十年大概容量提升了15倍。
03.IPv6将焕发生机
除了传输技术、光纤和无线，我们再说说网络，业界一直在探讨，但目前还没有发现互联网体系可行的颠覆性的解决方案。
- （1）APN6（应用感知网）
现在看好IPV6，今后十年还会在IPV6上继续创新，比如说IPV6+。IPV6是一个地址很丰富的互联网协议，实际上这个地址不仅仅可以用来标识终端的身份，也可以标识节点和路由。过去的IP地址只能指示人们选路，从有源地址到目的地址，现在我们在IPV6上面引入了定义业务服务质量，前面可以区分用户的身份、用户的APP、用户的服务类型，后边的应用需求里边，我们可以定义用户需要的带宽、要求的延时、抖动和丢包率。8比特里可以很详细地定义用户需要的性能上的指标要求，这样我们就可以有针对性地为用户提供适应他要求的信道。
- （2）iFIT（随流检测）
另外，在IPV6路上可以实现随流检测，所谓随流检测就是一边传输，一边在IPV6上边我们通过定义一些比特，来测量我们在传输过程中的丢包率、时延，不仅仅判断端到端的服务质量，还可以分段，未来还可以支持确定性的网络。
通过IPV6进行分段选路方面，我们收集了整个网络的大数据、业务的流量流向和网络资源，根据用户的需求，我们设计了用户端到端的路由，控制器下发到源节点。比如说第一个节点搜到102，就知道马上要把这个包送到R2，R2搜到205，就知道这个包要到R5，R5搜到506就知道到6，这样就可以组织一条路由。如果发生故障就需要上报，上报以后修改它的指令，把路由重新转移。这种分段选路，能够优化网络资源的配置，提供网络切片，能够支持低时延的分发、组播，预置备份路由，甚至可以多路由冗余传输，来保证网络的高可靠。
- （3）IPv6可实现真实源地址溯源
IPV6还可以实现真实的源地址溯源，增加网络安全性，其报头还有很大的开销，这些都是可以编程的空间，未来可以开发更多的功能。
04.算力的发展
整个通信发展离不开大数据和人工智能。下图显示了超算的能力的发展，这里边有三条曲线，第一条是全球500强超算能力之和，中间一条是第一名的能力。今年最高能力已经发展到415个Pflops了，相当可观。从这个曲线的轨迹来看，超算能力的发展是十年千倍的速度，到今年6月份，全球超算前5名里有日本的、美国的、中国的，在超算500强里头，中国已占45%。
计算机的CPU的能力基本是按照摩尔定律来发展的。目前CPU的处理能力已经接近鼠脑的能力，未来会进一步往人脑的能力相当来发展。按照斯坦福的统计，在2012年以前，人工智能所需要的算力是每两年翻一番，在2012年之后3至4个月翻一番。根据OpenAI的统计，2012年到2019年整个深度学习所推进的人工智能的计算量已经增长了30万倍。
考虑到机器学习的计算，大部分是做一种分类器，所以精度没要求那么高，而且计算的数学公式没那么多，因此使用专门定位人工智能计算的计算机，也许会比通用计算机更合算。
根据IDC的统计，未来我们还会大力发展边缘计算，有一半以上的数据会放到边缘计算；Gartner公司甚至认为超过一半、四分之三的数据都要放到边缘计算，所以边缘计算未来十年也会有更大的发展机会。
05.微电子技术的发展
当然这些都离不开微电子技术的支持，在28纳米的水平之前，集成电路技术的发展符合摩尔定律，每18个月集成度和性能提升一倍。从2015年到2030年，也就是未来十年，集成电路的迭代周期可能也会延长到24个月，而且集成度跟性能很难再说每一代马上都能提升一倍。
技术进步在4G之前主要靠计算机来驱动，5G则要求更高的集成度，这已经成为推动集成电路进步的最主要因素。去年5G的终端芯片7个纳米，到2022年可能就会3个纳米。但是现在集成电路发展面临着难题， 5个纳米就相当于50个氧原子的直径了，芯片表面的功率密度是电熨斗的6倍以上，集成电路代工线的成本高达150亿美元，超过了一个航母编队，所以集成电路的发展面临物理尺度、功耗和成本的瓶颈。
目前主要还是采用片上系统SOC和系统级封装SIP来延续摩尔定律，但这一技术路线能否延续到2030年还是不确定的，我们期待三维的结构、计算内存的集成、软硬件的联合优化，以及一些量子器件、自旋器件、磁通量器件、碳纳米管等新材料技术的进步，来推动后摩尔时代的颠覆性创新。
06.互联网应用创新
讲完硬件设备，再来梳理应用的发展。得益于2G的数字终端能力，我们开始有了短信、手机、QQ、支付宝；3G开启了数据传输的时代，诞生了智能手机，移动电子商务、自媒体、O2O以及社交的应用；4G提供了宽带数据传输能力，我们可以使用扫码支付、共享经济、社交电商、智能搜索和短视频等应用。
中国和发达国家于2019年同步启动5G，得益于5G的云端智能融合能力，催生了超清视频、虚拟现实、增强现实、智联网、工业互联网、车联网。但移动通信的新业态是网络覆盖比较广、用户有一定规模后才催生的，5G一定会产生我们还想象不到的新应用，十年以后6G的新业态和社会影响，我们更不好估量。新基建会进一步促进互联网技术的发展。今后十年，互联网会将出现更多的新技术、新模式、新业态。
互联网有一句名言，我们不预测未来，我们创造未来，让我们大家共同努力，为未来十年更好的社会，更大的互联网的作用影响，做出我们自己的贡献。
