一百多年前,法国作家凡尔纳在诸多科幻小说中天马行空地想象了很多不可思议的“新事物”,20世纪以来得益于光、电、材料等基础科技的成熟,我们用霓虹灯、空调、摩天楼、潜艇、飞机等将想象变成现实。而凡尔纳的《从地球到月球》和《环绕月球》几乎又是现代“阿波罗”登月工程的原始性预演。

 

想象未来靠科幻,创见未来靠科技。如果没有基础科技的突破,所有的想象只能是空想。那么,面向2030年的场景对ICT技术创新提出哪些新需求,如何形成产学研协同创新的机制?近日举行的2021华为全球分析师大会上,华为董事、战略研究院院长徐文伟提出九大关键挑战和方向,引起学术界、工业界热议。

 

笔者持续跟踪通信技术多年,从2G到5G,从2M ADSL到10G PON,从GE到400GE,见证基础科技创新给通信行业乃至整个社会带来的巨大变革。基于徐文伟演讲,我们有必要仔细思考下,智能联接未来10年,该走向何方?还有哪些基础技术挑战需突破?

 

 

01、拥抱智能世界2030:要聚焦九大挑战和研究方向

2020年的疫情,让我们感受到信息通信技术的巨大价值。我们加速进入数字化时代,个人手机成了“身体一部分”,在线教育、在线办公、自动化工厂无处不在。

 

面向未来10年,我们希望科技的加持不仅使工作生活更加便捷,还希望科技的赋能让人类变得更加强大。例如,能否通过科技赋能,拥有蜘蛛那样在物体轮廓和运动计算上超越人眼的能力,以及蚂蚁那样低功耗做很多事情的能力?

 

从数字来看,下一个十年,联接数量将达到千亿级,宽带速度每人将达到10Gbps;算力实现100倍提升、存储能力实现100倍提升;可再生能源的使用将超过50%。

 

基于此,徐文伟分享了华为眼中未来十年的九大ICT挑战和发展方向。

 

定义5.5G,支撑未来千亿规模的多样性联接。

 

在纳米尺度上驾驭光、实现光纤容量指数级增长。

 

走向产业互联,网络协议必须优化。

 

通用算力远远跟不上智能世界的需求,必须打造超级算力。

 

从海量多模态的数据中高效地进行知识提取,实现行业AI的关键突破。

 

突破冯诺依曼限制,构建百倍密度增长的新型存储。

 

将计算与感知结合,实现多模交互的超现实体验。

 

通过连续性的健康监测实现主动健康管理。

 

构建智慧能源互联网,实现绿色发电、绿色储电和绿色用电。

 

 

总体看,ICT产业共同突破上述九大技术挑战与研究方向,可以实现“联接更强、计算更快、能源更绿”。

 

02、未来10年,如何让5G、光与IP等联接更强?

看得见的科幻成现实背后,是看不见的科技进步的支撑。如果将具体科技进行解构,那么在这股浪潮中,无处不在的联接技术,堪称数字世界的基础底座。而面向未来10年发展,新业务层出不穷,业界如何实现更强的联接?我们可以从5G、光网络、IP网络等联接技术进行分析。

 

第一,更强的5G

谈及5G未来10年发展,徐文伟提到了定义5.5G,支撑未来千亿规模的多样性联接。众所周知,当前5G定义的三大场景(eMBB、uRRLC、mMTC),希望支持千行百业。我们也看到,5GtoB在能源、医疗、交通等领域形成1000多个商业合同,产生12亿美元合同。但也有很多行业企业反馈,5G依然很难支撑多样性的物联场景需求。

 

例如,在工业物联应用场景,客户既需要海量连接,又要求上行大带宽,唯有综合eMBB和mMTC两大能力才能满足;部分工业互联网应用对超宽带、低时延和高可靠都有要求,需要结合eMBB和uRLLC的优势;在车联网场景的车路协同场景,则需要在通信能力基础上增加感知能力;而在身临其境方面,当前5G通信远远满足不了《头号玩家》描绘的身临其境的交流诉求,我们需要更低时延的网络和定位技术,支撑真人级全息通信。

 

正如中国移动研究院副院长黄宇红所言:“未来,toC公众客户市场超高清、沉浸式业务将更普及;toB行业市场对5G存在更多差异化需求。在行业应用深度融合趋势下,5G业务和产业持续发展等都需要5G技术不断演进和创新。”

 

为了更为充分地满足千行百业的差异化需求,华为提议,业界要考虑在未来10年,将5G场景“三角形”扩展成5.5G场景“六边形”,增加UCBC上行超宽带、RTBC实时宽带交互以及HCS通信感知融合,从支撑万物互联到使能万物智联。

 

 

在我看来,5.5G是5G向6G必然要经历的阶段,是toB和toC业务需求驱动的。从2G到3G,3G到4G,从4G到5G,都出现2.5G(GPRS)、3.5G(如HSPA)以及4.5G技术。

 

英雄所见略同。在此前的一次公开演讲上,中国信息通信研究院副院长王志勤,也提到和徐文伟类似的观点。面向未来5G技术演进,她提出B5G概念,指出B5G潜在技术包括超大规模天线、太赫兹通信、AI通信融合、算力网络、确定性网络等。可以看出,这些技术发展方向,与5G“六边形”场景定义有相同的目的。

 

对于5G演进,领先运营商也在行动。就在本次分析师大会上,中国移动上海产业研究院联合华为发布了《5G定位能力开放产业白皮书》,该白皮书首次定义了5G定位架构和5G定位能力开放API接口。

 

第二,更强的光网

要满足更大容量、更高速度、更低时延的业务需求,不仅移动网络性能持续提升,光网络也需要从幕后走向台前,从过去的基础承载网络变身为业务支撑网络。在光网络方面,徐文伟提出,我们要在纳米尺度上驾驭光、实现光纤容量指数级增长。

 

如今,新业务的发展对光通信的容量提出较高要求。如徐文伟所说,在容量方面,今天一根光纤承载100万人观看4K视频,2030年要承载100万人欣赏MR(混合现实),单纤容量要提升10倍,超越100Tbit/s。

 

所以展望未来10年,现有网络容量必然不足。随着容量需求几何级级数增长,中国电信科技委主任韦乐平认为未来几年“容量危机”终将出现。从全光节点的容量演进来看,ROADM/OXC的容量持续演进,现有的技术至少能满足3年左右的节点容量需求,但3年之后尚不明朗!

 

韦乐平还总结指出,从扩容路径的全视图来看,光通信扩容的基本维度包括幅度、相位、频率/波长、偏振、时间和空域,而WDM维度的扩展和TDM维度的技术选择进展终究潜力有限,难以应对长期容量压力。其次,目前唯一未被充分开发利用的只剩下空域资源。从中长期来看,使用更多光纤,特别是路由光纤紧缺区域;从长期来看,可开发多芯少模光纤乃至角动量复用技术,但仍在早期研究阶段,经济性也不清楚,应用层面的容量节制和编码进步依然是必须的。

 

在大流量需求驱动下,可以预见,超大容量、超高速、超长距离传输成为光通信的必然趋势。光纤通信的传输速率从40Gbit/s、100Gbit/s向400Gbit/s跃升,甚至达到1Tbit/s,容量从10Mbit/s增加到几十Tbit/s,跨距从200km扩大到5000km。当然,技术进步的步伐不会停止,未来无论容量、速度还是跨距都有进一步发展的空间。

 

那我们光通信圈从业者们该怎么办,破解“容量危机”?徐文伟提出了三点。一是采用高调制器件可以实现光收发激光器2~3倍的波特率提升,采用新的调制编码和算法可实现容量倍增,薄膜型高带宽调制器可大幅提升性能,大规模批量用于光电器件。

 

二是在超长距传输方面,接近量子极限的光放大器是关键。高宽带、低噪声、人工可控的新型光放大器有助于实现超长距可靠传输。

 

三是可以提升光网络的动态控制能力,把波分网络改造为“同步”系统,提升抗干扰能力并通过计算实现光资源的高效利用,这其中微腔光频梳是关键。

 

此外,在更远的未来,多路复用技术把多个低速信道组合成一个高速信道的技术,可以有效提高数据链路的利用率,目前主要有频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用。未来还可研究空间分割多路复用(SDM)等新型光纤和光系统,实现单纤容量百倍增长。

 

我们仔细研究徐文伟提到的光收发激光器、新型光放大器等,发现这些技术都是科技圈很少关心的。你去网上查找,都很难找到这些技术的最新文献,很难看到国内企业钻研这些技术,更多是处于学术圈研究状态。在笔者看来,更强的、更大容量的光网是趋势,我们学术、工业圈、资本圈应该投入更多精力和资金,在光网上继续走在世界前列,而不只是成为光网络部署规模大国。

 

第三,更强的IP网络

在IP网络方面,徐文伟提到,走向产业互联,网络协议必须优化。今天,网络支撑的主体是百亿级的消费互联。2030年,网络支撑的主体是万亿级的产业互联。如今千行百业都在数字化,港口、煤矿、医疗、工厂等都引入5G、IoT、AI等,意图实现生产和工作效率提升。

 

未来的IP网络自然要支撑起政务、金融、医疗、教育、中小企业等数字化转型。在此过程中,如徐文伟分享的,IP数据通信网络将面临确定性、安全性、灵活性等三大方面考验。

 

一是确定性。过去的网络存在“不确定性”,因为IP网络采用尽力而为机制,网络速度时快时慢;现在,行业客户希望获得“稳定”优秀的网络能力。“稳定”即“确定”,当企业核心生产系统从“内云”走向“外云”,网络能提供确定性体验和差异化服务能力。在5G网络中,用户希望得到稳定的时延、带宽和容量。

 

一位港口数字化专家告诉笔者,港口打造5G远程操控吊车,并非要5G网络一定要低于10ms,而是希望保持在某个确定的范围内,不要忽上忽下。为了实现这点,国内港口已经在IP网络层面进行技术创新和机制优化。

 

业界有专家建议,未来我们要实现全面的确定性网络,可以一纤多用,打造行业专网;可以从全云化、全融合、全自动、全业务四个角度出发,迭代增强产品功能;此外,运营商需要选择合适的行业与场景,并结合自身的网络规划节奏寻找切入点。

 

运营商已经开始着手提升网络确定性能力,中国联通研究院首席科学家唐雄燕表示,2021年,中国联通网络技术创新将聚焦构建确定性网络,为行业应用和视频业务提供确定性定制服务。而通过端到端确定性云网服务赋能产业数字化正是中国联通CUBE-Net3.0三大业务使命之一。

 

行业客户已经从确定性网络中受益。中国大型电网公司资深高级工程师字然表示,确定性IP网络通过引入FlexE切片、超宽全以太、智能管控等确定性技术,完美契合了中国地市电力承载网演进的诉求,将有效促进中国电网的数字化转型。所以,我们相信,IP网络的确定性需求实现,将是产业未来10年必须发力的方向。

 

第二是安全性。万物互联的场景下,企业安全防御体系面临严峻挑战。无人机、摄像机、边缘计算、传感器等大量外挂设备引入了新的不安全因素,必须构建端到端的内生安全框架和协议。工业互联网也需要构建网络新基座,这就对IP内生安全技术提出需求。

 

所谓的内生网络安全,是指利用系统的架构、机制、场景、规律等内在因素获得的安全功能或属性,具有针对一般性网络攻击自我发现、自我修复、自我平衡的能力,以及针对大型网络攻击自动预测、自动告警和应急响应的能力。

 

目前,各方都意识到内生安全的重要性,领先的ICT基础设施提供商均在强调内生安全。例如,奇安信已经推出了新一代企业网络安全框架——内生安全框架。

 

“数字化时代的到来,彻底打破了网络世界和物理世界的边界,带来了新的安全风险。以前的静态边界防护思路,不再适应新时代的需求,数字化时代的保障需要内生安全。”奇安信集团董事长齐向东此前表示。

 

华为在内生安全的道路上探索了很久,提供的一整套的ICT基础设施,把内生安全植入其中,加上安全的解决方案,然后相互配合起来,一方面让自身更强大,另一方面也具备更强的保护作用。

 

第三是灵活性。徐文伟提到,千行百业的需求千差万别,必须将固定长度的IP地址,扩展为可灵活定义语义、语法的新IP协议。其实如果长期关注IP技术发展的话,你会发现,业界已经在发力IPv6+、SRv6等技术,让IP网络更具灵活性。

 

作为IPv6技术演进的最新技术,IPv6+在提升网络灵活性方面备受关注。中国工程院院士邬贺铨认为,IPv6+是面向云网时代的智能IP网络,可满足承载和云网融合的灵活组网的需求。为了实现灵活性,中国电信也在发展IPv6+,以支持云网融合。中国电信IPv6/IPv6+专家解冲锋表示:“IPv6+的提出大大的突显了IPv6的价值,是云网融合最坚实的技术底座。“

 

基于IPv6的SRv6,则已经被运营商进行现网实践。2020年11月,中国电信启动CN2-DCI设备集采,全面要求SRv6;中国移动已经联合华为在广东移动成功完成G-SRv6头压缩方案现网试点。金融行业也是SRv6的拥护者,目前建设银行和农业银行已经在部署SRv6,以期未来的云骨干更加智能、更加敏捷、更加无处不在。

 

但是IP网络的灵活性创新,不可能一蹴而就,需要产业在标准、生态、实践等环节,通力合作,加速新技术在未来10年的突破和应用。

 

03、突破基础科学挑战:产学研需“开放包容、协同创新”

过去40多年来,ICT行业持续高速发展,但是如今遇到了发展瓶颈。我们回顾可知,现在ICT行业创新的基础理论是“香农定理”,这一1948年发表的定理进入5G时代几乎达到了使用的极限;多年来颠扑不破的“摩尔定律”,在性能提升方面也从过去的1.5倍降低到了1.1倍;而码分多址CDMA也是1941年海蒂马拉发明的。

 

所以通过徐文伟介绍的、涉及“更强联接”的三大挑战分析,笔者深刻感受到,尽管产业已经在努力,但面向智能世界2030的挑战要突破,难度依然很高。

 

所谓众人拾柴火焰高。对此挑战,业界除了要重视,不能靠一家企业、一个高校去推动,而是要更多产学研各方代表,精诚合作,以开放包容、协同创新的机制,汇集全人类的智慧和创新能力,满足人类发展的需求以及解决所面临的问题。

 

 

正如中国科学院院长白春礼所说:当今世界满足人类发展的需求以及解决所面临的问题,更需要汇集全人类的智慧和创新能力。加强基础研究、促进科学进步是解决这些问题的关键。他强调,工业界的参与不仅帮助高校和科研机构加快研究成果的商业落地,同时把工业界的挑战和真实场景、需求,与科学家分享,这对研究方向是极大的促进作用。

 

今年初,在笔者主持的“5G演进峰会”上,学术界代表中国科技大学教授朱近康就表示,复杂网络基础理论和创新方法是制约5G演进的两大难点,这就要求产学研联合攻关,共同面对5G演进过程中的基础问题与技术问题。

 

“产学研结合一定是我们国家发展的方向。”朱近康表示,产学研结合对5G演进大有帮助,也是必由之路,“在从第三代、第四代、第五代,网络越来越复杂。这个场景用一套(架构),那个场景用一套。而我们传输链路有相当理论的约束,网络架构有什么理论约束?因此一定要学会简化。只有简化才符合企业的需要,才符合应用的需要”。

 

我们相信,通过产学研的密切合作,未来必将有更多基础理论的突破和创新在高校产生,这些创新或许将影响ICT行业未来数十年乃至几十年的发展,更进一步对社会经济和人类进步产生带动作用。

 

工业制造圈的企业要怎么做?我们看到,华为这家以创新知名的企业,一直是产学研合作的极力推动者。近期,华为CEO任正非陆续访问北京大学、清华大学、中国科学院等学校,与部分科学家、学生代表座谈的发言,提出科技发展要“向上捅破天,向下扎到根”,还提到“大学还是应偏科学理论,偏重发现;企业偏重技术、工程,偏重发明,结合起来,力量才会更强大”。

 

更早时候,华为就特别重视与高校进行技术创新的合作。2016年,华为主推的5G极化码(Polar码)被3GPP所接受,在国际标准组织取得重要突破。而极化码的实现,离不开华为数十亿美元、数千无线专家工程研发投入,也离不开极化码发现者、土耳其埃尔达尔·阿里坎教授的理论研究。可以说,这是一次学术圈与产业企业深度合作、共同突破ICT行业发展难题的典型合作。

 

 

除了与高校密切合作,华为还投入大量资金扩大自身在基础领域的研发队伍。2020年,华为研发投入超过1400亿元,投资规模在全球企业中位居第三。华为还将每年研发投入的20%-30%用做基础科学研究,拥有数千位全球顶尖的数学家、物理学家。

 

笔者感受到,华为正在全面升级创新战略,从基于客户需求的技术、工程、产品和解决方案的创新1.0时代,迈向基于愿景驱动的理论突破和基础技术发明的创新2.0时代。

 

结语

总体看,目前我们的科技圈,更关心造电动车、更关心互联网卖菜,但我认为这些只是工程或者应用层面的创新,我们更缺乏的是基础科学创新。徐文伟此次提到的9大挑战方向,是我们未来10年要投入更多人力和精力去突破的。

 

而从0到1的发明创新,离不开科研、资本与产业的高度集合。可以说,徐文伟此次演讲,对产业、对中国乃至对全球ICT的持续演进,意义重大。

 

为了共同打造智能世界2030,笔者也在此呼吁,业界要重视基础科技创新,要把工业界的问题、学术界的思想、风险资本的信念整合起来,真正实现协同创新。