通信行业：数字基础设施技术趋势白皮书

数字基础设施技术趋势白皮书 中兴通讯版权所有未经许可不得扩散第1页 数字基础设施技术趋势白皮书 数字基础设施技术趋势白皮书 版本 日期 作者 备注 V1.0 2023.05 中兴通讯 ©2023ZTECorporation.Allrightsreserved. 2023版权所有中兴通讯股份有限公司保留所有权利版权声明： 本文档著作权由中兴通讯股份有限公司享有。文中涉及中兴通讯股份有限公司的专有信息，未经中兴通讯股份有限公司书面许可，任何单位和个人不得使用和泄漏该文档以及该文档包含的任何图片、表格、数据及其他信息。 本文档中的信息随着中兴通讯股份有限公司产品和技术的进步将不断更新，中兴通讯股份有限公司不再通知此类信息的更新。 目录 1.前言5 2.数字基础设施技术发展的需求和挑战7 2.1.未来业务发展对于数字基础设施技术的需求和约束7 2.2.传统的技术发展路径面临的挑战10 2.3.未来技术发展路径概述13 3.更宽的连接14 3.1.综述14 3.2.物理层（无线）：5G-A&6G需要更大力度的空分复用及扩展频段16 3.3.物理层（光传输）：单波提速、波段扩展和空分复用20 3.4.分组层：兼顾容量和灵活性的分组转发芯片架构22 3.5.应用层：基于深度学习视频编码进一步提升视频压缩效率23 3.6.设备互联：光互联将逐步渗透到设备间及设备内互联25 4.更强的算力28 4.1.综述28 4.2.芯片架构：DSA&3D堆叠&Chiplet29 4.3.计算架构：存算一体使得计算和存储从分离走向联合优化31 4.4.计算架构：基于对等系统的分布式计算架构33 4.5.网络架构：支撑算网融合的IP网络技术实现算力资源高效调度34 5.更高的智能37 5.1.综述37 5.2.智能芯片：提高算力/能耗比的技术方向38 5.3.智能算法：多样化分离小模型向通用大模型演进40 5.4.智能网络：网络自智向L4/L5等级迈进42 6.结语45 7.参考文献47 1.前言 技术创新是生产力进步、产业发展的核心驱动力。世界经济论坛创始人克劳斯·施瓦布 （KlausSchwab）在其所著的“第四次工业革命”中指出，近代以来，人类经历了四次由技术创新引领的工业革命。第一次起始于1760年左右，以蒸气机、铁路的发明和广泛应用 为主要标志，使人类从手工工艺时期跃进到机械化生产阶段；第二次始于19世纪末，以电的发明和广泛应用为标志，电力工业、化学工业以及电报、电话等的迅速发展，使人类进入 大规模工业化生产时代；第三次工业革命始于20世纪中期，以通信技术、计算机技术、互联网技术（简称信息通信技术，或ICT技术）为主要标志，人类进入自动化生产阶段；第四次工业革命目前正在发生，是第三次工业革命的延续，但技术创新的速度、广度和影响力以指数级别上升。第四次工业革命以数字化和智能化为主要特征，标志性技术有物联网、大数 据、人工智能等，尤其是以深度学习为代表的人工智能技术的突破，使人类逐渐从数字社会迈向智能社会。 高效的数字基础设施是数字社会、智能社会的关键支撑。面向2030，产业互联、全息通信、元宇宙、自动驾驶等新型应用对信息通信技术提出了更高的需求。但应该看到，信息 通信技术的发展是以19世纪末到20世纪中叶人类在电磁学、量子力学、信息论等数学、物理学的突破为基础的，而近几十年来，基础科学的突破有放缓的迹象，这使得信息通信领 域的未来技术发展面临越来越严峻的挑战。传统的技术演进路线面临摩尔定律、香农定理的限制以及节能减排的约束，亟需在基础理论、核心算法和系统架构方面有根本性的创新。国际形势的风云变幻，也对技术自主创新提出了很高的要求。 本白皮书是对数字基础设施的未来技术发展趋势的解读，由中兴通讯技术专家委员会集体编写完成。与业界常见的以商业模式、应用愿景、技术需求为主的白皮书不同，本技术白皮书更多地把重点放在技术发展面临的挑战，以及解决这些挑战的技术实现路径上。 白皮书第二章介绍了未来的业务场景对于数字基础技术的需求，提出了数字基础设施最关键的三个技术要素是连接、算力和智能。但是这三个技术要素的发展，面临着香农定理极限、摩尔定律放缓和智能本质认知不足的问题，使得未来的技术进步面临很大的挑战。 第三~五章分别针对更宽的连接、更强的算力、更高的智能三个方向进行了具体技术趋 势的描述。每个技术方向均描述了未来的技术需求和面临的技术挑战，以及解决问题和挑战的技术发展路径。既有对业界发展现状和主流观点的描述，也有中兴通讯的技术创新和对未来发展的预判。 第六章是整个白皮书的总结，同时也针对数字基础设施能力如何更好服务于各行各业提出了我们的一些思考。 中兴通讯的技术创新瞄准技术发展趋势、行业发展方向和国家重大需求，依托于政、产、学、研、用各方的协同与支持，目前已经取得了丰硕的成果。我们将继续与产业伙伴一起，共同推动信息通信领域的技术创新工作，为人类迈向数字社会和智能社会作出贡献。 2.数字基础设施技术发展的需求和挑战 2.1.未来业务发展对于数字基础设施技术的需求和约束 自从1837年美国人摩尔斯发明摩尔斯电码和电报以来，信息通信技术迅速发展，极大地改变了人类生活、生产的方式。通信业务从最初单一的电报、电话到现在涉及人类经济、 社会、生活的方方面面。全球数字经济规模持续上涨。2021年，全球主要的47个国家数字经济增加值规模为38.1万亿美元，同比名义增长15.6%，占GDP比重为45.0%[01]。2022年，我国数字经济规模达到50.2万亿元，同比名义增长10.3%，已连续11年显著高于同期GDP名义增速[02]。 九层之台，起于累土。高效的数字基础设施是数字经济的核心基础能力。在ToC和ToH领域，新冠疫情带来的工作和生活方式的变化、短视频及直播等应用的爆发、在线教育和远 程办公的普及，对于网络带宽和覆盖提出了更高的要求；在ToB领域，从ICT向OT（生产域）的纵深拓展和贯通融合，也对网络性能、经济便捷和安全可靠等提出更高的期望。 2023年2月，中共中央、国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》[03]（以下简称 《规划》）。《规划》明确指出，数字中国建设按照“2522”的整体框架进行布局，即夯实数字基础设施和数据资源体系“两大基础”，推进数字技术与经济、政治、文化、社会、 生态文明建设“五位一体”深度融合，强化数字技术创新体系和数字安全屏障“两大能力”，优化数字化发展国内国际“两个环境”。 《规划》指出，打通数字基础设施大动脉，有如下具体要求：加快5G网络与千兆光网协同建设，深入推进IPv6规模部署和应用，推进移动物联网全面发展，大力推进北斗规模应用；系统优化算力基础设施布局，促进东西部算力高效互补和协同联动，引导通用数据中心、超算中心、智能计算中心、边缘数据中心等合理梯次布局；整体提升应用基础设施水平，加强传统基础设施数字化、智能化改造。 根据《规划》的要求和中兴通讯对于行业的理解，数字基础设施有三个基本要素：连接、算力、智能。数字基础设施的目标就是，网络无所不达、算力无所不在、智能无所不及。 “连接”是互联网最核心的特征，连接速率从最初电报的每秒约1个字符，到现在的“双千兆”接入（即无线接入和光纤接入均达到千兆）和骨干网单光纤几十Tbps的速率。无线通信网络基本每十年进行一次更新迭代，速率提升约10倍。面向2030（6G），随着全息通信、元宇宙等新业务的发展，预计业务对于连接的需求相比目前（5G）仍将增长1~2个数量级[04]。其中，带宽峰值速率将达到1Tbit/s（50倍），用户体验速率达20Gbit/s（200倍），时延可低至0.5ms（8倍），连接密度达到100个/m2（100倍）。 “算力”在数字社会已成为像水电煤一样的基本设施。据IDC&浪潮信息&清华全球产业院的评估，计算力指数平均每提高1个点，数字经济和GDP将分别增长3.5‰和1.8‰[05]；据中国信通院统计，2021年全球计算设备算力总规模达到615EFlops，预计2030年达到 56ZFlops，平均年增速达到65%[06]。算力是实现其他技术需求的关键要素。比如通信容量的提升需要有各种编解码计算；视频领域的AR/VR、全息等业务，需要视频编解码、图像渲染、动画生成等高计算量的技术；近十多年来广泛应用的人工智能技术对于算力的需求是前所未有的。 随着近十多年深度神经网络算法的突破，人工智能技术不断拓展应用的深度和广度，已经成为人类社会从数字化向智能化迈进的强大引擎。数字化的前提是用数学模型表示物理世界，数学建模是算法和软件的基础。而AI技术突破之前，现实世界有大量的复杂系统无法 用数学模型表示。深度神经网络技术的本质，是用简单神经元节点的大规模互联来逼近各类 复杂系统的数学模型（比如人类认知系统或者高度非线性的物理系统），极大拓展了数字化的应用广度和深度。从物理层链路的非线性补偿，到网络层资源的智能化调度，再到应用层的视频处理、人机交互、安全态势感知、自动驾驶等等。智能成为最为关键的数字化基础技术之一。 由此可见，连接、算力、智能是未来数字化应用的基本技术需求。未来数字社会的根基是融合的算网基础设施及智能化服务体系。在数据洪流对端、边、云的冲击之下，连接、算力、智能这三者相辅相成，体现出更加紧密的关系和更加模糊的边界，以实现海量数据的存储、交换和处理的全局效益最优。 连接、算力、智能也是实现其他技术需求的关键要素。比如，安全技术需求，最基本的技术就是各种加密解密算法和计算部件；可靠性需求的技术基础是器件、组件、系统的失效期计算，以及各种系统冗余、网络冗余的算法。目前5G的URLLC场景已经可以提供4个9 （99.99%）的可用性，未来要满足工业场景5个9（99.999%）的可用性需求，可能的办法 是引入AI算法实现信道预测、故障预测、干扰跟踪等技术手段。 图2.1给出了未来各种应用场景与三大技术要素的对应关系。这些场景取自于国际电信 联盟（ITU）网络2030焦点组于2020年6月提出的未来网络12个应用场景[07][08]。 图2.1：未来业务场景与三大技术要素的对应关系 与此同时，人类可持续发展的目标对于节能环保提出了越来越高的要求。各个国家都提出了双碳目标（碳达峰、碳中和）。尽管信息高效交互和处理可以提升物流和能量流的效率，从而降低整个人类活动的碳排放水平。例如GeSI（GlobalEnablingSustainabilityInitiative）发布的报告《SMARTer2030》指出，ICT技术有可能在2030年前帮助全球减少碳排放20％ [09]。但信息通信行业自身的碳排放仍然是不可忽视的一个方面。据上述GeSI报告的估算， 预计到2030年信息通信产业的碳排放占全球总碳排的1.97%。未来的技术发展，数字基础设施的建设，除了业务驱动外，还必须把节能减排作为一个主要的约束条件。 另一个重要的约束条件是国际政治形势对于全球技术融通和共享的影响。未来的技术供应链、全球的技术协作都很可能面临越来越多的困难。 2.2.传统的技术发展路径面临的挑战 从19世纪后期到20世纪中叶，人类在电磁学、量子力学、信息论等数理理论的突破，是现代信息通信技术的基础。信息通信技术三大要素，连接、算力、智能，既有各自的发展路径，又呈现相互支撑、协同并进的态势。 香农信息论从理论上证明了，带宽恒定的信道在有噪声情况下存在传输容量上界，即香农极限。通信带宽的提升，一方面是研发更优的传输信道（无线、电缆、光纤等），另一方面是用不断演进的算法（调制解调、整形补偿、前向纠错等）逼近香农极限。先进的算法带来了计算复杂度的增加，必须依赖微电子技术的进步，以更强的数字信号处理能力满足通信算法的需求。 计算机出现之后，对算力的需求成为微电子技术进步的最大驱动力。著名的摩尔定律最 初就是对微处理器发展的预测，即，每隔18或24个月，单位面积的芯片上所集成的晶体管数量翻一番，微处理器性能提升一倍，