传送网节能减排技术白皮书

1 传送网节能减排 技术白皮书 1 联合发布 中国移动通信有限公司研究院中国信息通信研究院 华为技术有限公司中兴通讯股份有限公司 烽火通信科技股份有限公司上海诺基亚贝尔股份有限公司苏州盛科通信股份有限公司 传送网节能减排技术白皮书 2 前言 本白皮书旨在提出中国移动对于传送网领域节能减排技术的理念、器件级、网元级和网络级绿色能力图谱，以及相关技术产业发展现状与推进计划，希望能够为产业在规划设计传送网相关技术、产品的节能减排解决方案时提供参考和指引。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 目录 1.背景与意义2 2.传送网节能减排理念4 3.器件级绿色能力图谱6 3.1.智能化动态节能技术6 3.2.智能调频技术7 3.3.跨类别器件合封技术7 4.网元级绿色能力图谱9 4.1.交叉板资源智能优化技术9 4.2.业务板负载管理9 4.3.高效散热设计10 4.3.1.前进后出风道设计10 4.3.2.液冷11 5.网络级绿色能力图谱13 5.1.网络架构优化13 5.2.构建全光底座14 5.3.功耗可视化16 5.4.面向能耗优化的智能管控技术演进17 5.4.1.基于能耗的调度策略17 5.4.2.基于数字孪生和AI技术的能耗优化18 6.助力绿色社会建设20 7.发展展望21 缩略语列表22 1.背景与意义 随着世界新经济和数字经济的飞速发展，气候、环境与能源问题日益突出，碳达峰、碳中和与气候话题被全球政经领袖高度关注，成为各国博弈的关键点。 《巴黎协定》明确了到本世纪末的全球减排目标，即将全球平均温升控制在相对于工业化前水平2℃以内，并为全球平均温升控制在1.5℃以内付出努力。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央将生态文明建设提升到关系中华民族永续发展的战略高度。习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上对外庄严宣示，我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。国务院制定了《2030年前碳达峰行动方案》，要求加快完善通信、运算、存储、传输等设备能效标准，提升准入门槛，淘汰落后设备和技术。2021年，工业和信息化部制定了《“十四五”信息通信行业发展规划》，要求5年内单位电信业务总量综合能耗下降15%。 面对新形势新挑战，中国移动将已连续开展14年的“绿色行动计划”升级为“C2三能——中国移动碳达峰碳中和行动计划”，构建“三能六绿”绿色发展新模式，制定了“十四五”目标路径，提出要在公司电信业务总量预计增加 1.6倍的情况下，“十四五”末实现单位电信业务总量综合能耗、单位电信业务总量碳排放下降率均不低于20%，企业自身节电量较“十三五”翻两番（超过400亿度），企业2025年自身碳排放控制在5600万吨以内；同时助力社会减排量较“十三五”翻一番（超过16亿吨）。 传送网是信息通信的基础网络，负责将上百万无线基站与核心网连接起来，同时还承载着数百万的专线和专网业务，为“东数西算”工程提供了重要的基础通道。中国移动已建立并运营着全球最大的传送网络，设备数量、网络规模、机房数量、业务规模等多项位列全球第一。由200多万端分组传送网（PTN，PacketTransportNetwork）设备组成的4G传送网络承载着332万个4G基站（约占全球4G基站总数三分之一）的回传业务和百万级政企专线业务；由40多万端切片分组网（SPN，SlicingPacketNetwork）设备组成的全球最大5G传送网络承载着85万个5G基站的回传业务和政企专线/专网业务；由大量光传送网（OTN， OpticalTransportNetwork）设备组成的全球最大规模的100G和200GOTN网络，承载着大量国际、省际、省内高品质政企专线业务。未来，传送网还将成为“东数西算”工程的“全光底座”，负责将算力枢纽节点、数据中心等连接起来，实现“东数西算”。与不断增加的设备、机房数量和不断扩大的网络、业务规模一起增长的还有对电力的消耗。据不完全统计，目前仅移动基站、核心机房、数据中心（IDC，InternetDataCenter）等信息通信基础设施的年耗电就超过500亿度。2022年上半年，中国移动总耗电262亿度，电费开支约为176亿元，其 中11.4万汇聚站点耗电31.6亿度，约占全公司12%。 随着未来5G技术在千行百业落地应用的大规模展开和“东数西算”工程的全面落地，传送网承载的业务量将迎来爆炸式增长。中国移动作为信息通信领域的排头兵，将致力于将全球最大的传送网络建设成为全球最绿色的传送网络，实现单位“瓦特”传输更多的“比特”的技术发展目标。 2.传送网节能减排理念 传送网作为承载宽带网络、移动回传、算力网络的重要基础，依靠其广泛的分布和互联互通的优势，支撑实现算力、行业专网/专线等业务的大规模运用。中国移动秉持“绿点为基础，绿网为核心，绿业为愿景”的核心理念，打造传送网节能减排“绿叶”计划，以传送网器件、设备节能为抓手，促使网络单元功耗下降；以智能化管控为手段，促进低碳传送网系统构建；以先进的传送网技术为杠杆，撬动千行百业绿色建设，最终助力全社会生产生活资源更绿色、更合理分配和调度，实现绿色社会。 传送网是由传送网设备相互连接而成，传送网设备是传送网的基本单元，按照所采用技术的不同，传送网设备可分为OTN设备、SPN设备、PTN设备、同步数字体系（SDH，SynchronousDigitalHierarchy）设备、无源光纤网络（PON，PassiveOpticalNetwork）设备等，因此，传送网节能减排的本质是传送网设备的节能减排。传送网设备主要分为框式设备和盒式设备两大类，以框式传送网设备为例，其功耗主要来自业务单板、交叉板、风扇、电源、控制单元等，其中业务单板、交叉单板、风扇约占设备总功耗90%，因此业务板卡和交叉板卡降功耗是传送网设备节能减排的关键。业务板卡和交叉板卡的核心器件是专用集成电路（ASIC，ApplicationSpecificIntegratedCircuit）芯片，ASIC芯片是板卡功耗的主要来源，同时，业务单板上使用的光模块也是其功耗的重要来源，ASIC芯片和光模块所产生的功耗之和能够占到整板功耗的80%左右，如图1所示，因此业务板卡和交叉板卡降功耗主要是降芯片和光模块的功耗。 图1业务板卡内部功耗占比示意图 基于传送网节能减排理念和分析，中国移动构建了一座传送网绿色能力金字塔，如图2所示，以芯片和光模块等器件基座，通过智能化及跨类别器件合封技术降低传送网设备板卡功耗；同时，叠加板卡资源智能优化技术和网元高效散热设计来进一步降低传送网设备功耗；之后，再配合网络架构优化、构建网络全光底座、功耗可视化及全网智能管控技术实现网络层面资源优化，以降低传送网全网功耗；最终，以绿色、先进的传送网为“东数西算”工程提供大通道、为千行百业提供5G专网和专线业务承载服务，赋能千行百业数字化转型，助力全社会实现高效、低碳生产、生活。 图2传送网绿色能力金字塔 3.器件级绿色能力图谱 在设备内部，各组件功耗主要集中在核心芯片和光模块，这两部分在设备整机中的功耗占比约80%。因此要从根源上降低传送网的功耗，实现绿色低碳、节能降耗的目标，就要从器件层面实行节能降耗。 器件级节能措施除了提升制造工艺和光模块封装工艺等传统方法以外，未来还可考虑从以下措施着手推动器件功耗下降。 3.1.智能化动态节能技术 根据功能需求和业务配置情况，设备内部的芯片或光模块等可通过关闭或休眠不需要的功能模块或SerDes等方式来减少冗余资源，以达到节能的目的。 例如，当SPN设备在部分场景中仅需做软切片时，可将该设备交换芯片的MTN模块关闭，能够节省约5W功耗，而整片交换芯片的平均功耗约70W，降幅可达7%。器件内部的SerDes也是功耗的主要贡献者，它主要与设备物理接口相对应，数量与物理接口速率、设备形态等相关，而SerDes自身功耗也与其速率强相关。以56GSerDes为例，一个56GSerDes将产生约0.8W的功耗。因此根据设备实际物理端口配置数量、速率及应用场景，在设备上电前，关闭多余的SerDes能够为器件节省一定的功耗。根据某厂商实验室测试情况得知，假设有3个线路处理单元（LPU）未使用，则可将交换芯片中对应的SerDes关闭，每个LPU有20LaneSerDes，则能够节省约15%功耗。设备上电后，可根据实际流量情况，让无流量的SerDes进入休眠状态，以降低功耗。不过，休眠方式较直接关闭方式带来的功耗减少量有限。 目前无论是关闭器件内部功能模块，还是关闭SerDes，均采用人工方式，即由工程师通过命令行向器件下发相应关闭指令。人工方式强依赖人为判断，未来可考虑在器件中增加简单监测、数据采集和计算能力，实现器件对各组件的自动监测，采集、计算各组件的使用数据，自动筛选并关闭冗余资源，实现器件级智能化动态节能。 3.2.智能调频技术 交换芯片通常能够支持多个主频，例如1.05GHz、800MHz、400MHz等，具体支持的主频值由设备交换容量决定，而芯片主频越高，功耗消耗越大，因此降低芯片主频，让其与设备交换容量相匹配是降低功耗芯片功耗的手段之一。比如设备交换容量为800G，交换芯片在1.05GHz主频下交换容量为2.4T，在800MHz主频下交换容量为1.6T，则可选择800MHz主频，以减少对功率的消耗。 目前，芯片主频值的设定是静态的，后续无法修改。因为芯片中各组件正常工作所需的频率不太一样，为了让芯片主频值匹配各组件的工作频率，芯片中会设置一个分频模块，分频模块中静态写入了芯片主频值与各组件工作频率值的转换系数，芯片主频值的改变将影响最终分频后，各组件收到的工作频率值，从而导致各组件无法正常工作。 未来可推动芯片主频与设备实际交换容量动态匹配技术，即让芯片主频值随着设备实际发生的交换容量动态调整，而不是与设备固有交换容量紧捆绑。比如，某款SPN设备最大容量为2.4T，现网使用中，其实际容量长期处于1T左右，此时交换芯片主频自动降为800MHz，而不是一直处于1.05GHz；当该款SPN设备实际交换容量达到2.4T时，其交换芯片主频则自动调至1.05GHz，最终实现芯片功耗的降低。 3.3.跨类别器件合封技术 当前，合封技术主要成熟应用于功能复杂的芯片，即在一块芯片中封装两个或两个以上的die，以减少die之间的接线长度，获得更小的时延，利于时序收敛，同时合封技术能够减少芯片面积，而芯片面积对芯片功耗有着较大影响，芯片面积越大，其功耗越大。将单die芯片的互连从PCB板上长距LR的高速SerDes优化为芯片内部的多die短距互连，高速互连接口功耗典型降低25%，整个芯片组预计有5~10%节能收益，因此合封技术能够有效降低芯片功耗。 未来可扩大合封技术的应用范围，以进一步降低器件功耗。对业务板卡而言， 核心芯片和光模块是主要功耗来源，且光模块内部分组件易损坏，其更换方式往往采用整块替换，即用新的光模块替换掉损坏的光模块。后续，可推动光模块组件拆解设计，将易损坏的部分保留在光模块中，将不易损坏的电侧组件集成到业务板卡的核心芯片中，以减少光模块和芯片间的SerDes数量。光模块部分组件和板卡芯片合封后，光模块和板卡芯片能够各减少一个或多个SerDes，同时，总的芯片面积也会减少，从而降低功耗。 4.网元级绿色能力图谱 4.1.交叉板资源智能优化技术 大容量传输设备的交叉板通常是基于统一信元交叉的，多个交叉板之间实现动态业务分担。当前，已实现通过在业务量低时人工下电部分交叉板，在业务达到提升门限时人工上电部分交叉板的方式降低设备功耗，该方式已成熟应用于现网，能够实现业务的无损和零感知。以核心SPN设备为例，每块交叉板为每槽位提供的交叉容量是120G左右，如果在所有业务槽位中，单槽位最大平均单向流量(面板端口收或发30分钟流量平均值)小于240G，则可仅保留3块