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行业前瞻丨中国工程院院士邬贺铨:未来十年互联网新科技洞察与展望

简介: 互联网从数字化、网络化走向智能化,当前已经进入工业互联网时代,已经取得了高速发展,但是仍然面临新挑战。中国工程院院士邬贺铨从未来互联网基础设施发展,通信技术、算力、应用创新等角度,展望互联网十年发展演进和未来科技洞察。
作者:邬贺铨院士
编辑:张楠
来源:阿里云研究

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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%。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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  • (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。

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  • (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%

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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。

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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。

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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。

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