降低100G系統功耗的六大關(guān)鍵技術(shù)

　1. 能耗是100G規模商用的核心問(wèn)題
　　根據國際能源機構(IEA)2008年的統計，從1973年到2006年，全球能源消耗上升73％，C02排放增長(cháng)了79％，能源的消耗導致了溫室效應和一系列的自然災害。為了企業(yè)的可持續發(fā)展，主流運營(yíng)商、設備商先后啟動(dòng)節能減排計劃，應對能耗的挑戰。
　　如火如荼的100G已具備商用條件，然而100G要實(shí)現大規模的部署還需要解決一些挑戰。這主要是因為100G技術(shù)實(shí)現機理復雜，光接收機需要使用相干接收和DSP處理，關(guān)鍵芯片沒(méi)有ASIC化，導致整個(gè)100G系統的功耗較高。通過(guò)下圖可以看出，當100G單板功耗值達到280W左右時(shí)，才能和10G做到和能效比相當。因此，如何降低100G系統的功耗，提供綠色低碳的解決方案，就成為各大通信設備商關(guān)注的熱點(diǎn)話(huà)題。

圖1 10G、40G、100G功耗對比圖

　　2. 100G OTN綠色節能的六大關(guān)鍵技術(shù)
　　100G 系統主要包括4個(gè)部分：100G業(yè)務(wù)板、OTN交叉單元、風(fēng)扇板、管理模塊，其中100G業(yè)務(wù)板的功耗占整個(gè)系統功耗的7成左右。100G業(yè)務(wù)板的功能模塊又可分為三部分：客戶(hù)側光模塊、業(yè)務(wù)映射處理單元、線(xiàn)路側光模塊。其中，各功能模塊中的業(yè)務(wù)處理芯片占了100G業(yè)務(wù)板功耗的6成左右。

圖2 設備及業(yè)務(wù)板功耗分布圖

　　下文將從ASIC、光模塊、電源等方面進(jìn)行討論，介紹目前主流的降低100G系統功耗的實(shí)現方案。
　　關(guān)鍵技術(shù)之一：持續提升ASIC工藝
　　目前業(yè)界主流的波分設備商均自主研發(fā)ASIC芯片，并通過(guò)芯片制程的提升來(lái)降低芯片的功耗，為OTN系統降功耗打下基礎。100G系統的設計也一直緊跟芯片工藝改進(jìn)的步伐并享受升級帶來(lái)的巨大節能收益，通過(guò)改進(jìn)ASIC的工藝，100G業(yè)務(wù)單板的節能成果顯著(zhù)。
　　通過(guò)下圖的數據可以發(fā)現，目前已經(jīng)成熟使用45nm工藝，相對130nm工藝能使門(mén)電路功耗降低50%；未來(lái)ASIC設計達到28nm時(shí),100G系統的功耗還會(huì )大幅下降，達到甚至優(yōu)于當前的10G 單位比特功耗水平。

圖3 ASIC工藝改進(jìn)節能效果

　　關(guān)鍵技術(shù)之二：降低光模塊功耗
　　在100G系統中，光模塊的功耗也占有相當的比例，因此降低光模塊的功耗，也具有重要意義。
　　光模塊主要通過(guò)采用自適應電源管理技術(shù)，對模塊關(guān)鍵功耗芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節，能有效降低處于待機狀態(tài)模塊的功耗最大可達60％。

圖4 光模塊電源管理優(yōu)化

　　關(guān)鍵技術(shù)之三：提升電源轉換效率
　　電源效率的提升對整個(gè)設備的功耗降低起到了不可小覷的作用，因為所有單板都用到電源模塊，即便是4%的效率提升，節省的能耗也是驚人的。
　　為了提升100G波長(cháng)轉換板和線(xiàn)路卡單板電源效率，可通過(guò)使用高效率開(kāi)關(guān)電源，電源轉換效率提升到88~89%。與此同時(shí)，通過(guò)采用主備48V電源MOS管合路、減少電源種類(lèi)、優(yōu)化電源架構等手段，可使電源效率最大提升至90％。
　　關(guān)鍵技術(shù)之四：動(dòng)態(tài)功率管理技術(shù)
　　目前，絕大多數的100G設備支持對功耗動(dòng)態(tài)化控制，實(shí)現對精細化管理，主要包括端口控制技術(shù)、智能風(fēng)扇技術(shù)、動(dòng)態(tài)功率控制等。
　　端口控制技術(shù)：端口在空閑時(shí)，支持自動(dòng)關(guān)斷可顯著(zhù)減少OTN系統能耗。
　　智能風(fēng)扇技術(shù)：采用智能風(fēng)扇技術(shù)，設備常溫工作狀態(tài)，風(fēng)扇可運行在50％轉速，可節省70％的風(fēng)扇功耗；
　　動(dòng)態(tài)功率控制：當板卡不工作時(shí)，支持將板卡設置為待機態(tài)，節能40％；當100G系統檢測到光模塊未用時(shí)，則關(guān)閉該通道所對應的處理路徑上芯片，使功耗降低10％以上。
　　基于以上的智能功耗監控管理的技術(shù)，100G系統可以實(shí)現10~20%的功耗降低。

圖5 動(dòng)態(tài)管理帶來(lái)功耗的下降

　　關(guān)鍵技術(shù)之五：大容量OTN交叉提升100G設備能效
　　首先，100G技術(shù)配合大容量的OTN交叉矩陣，在承載小顆粒業(yè)務(wù)時(shí)，可實(shí)現對100G帶寬100%的使用率。相比較傳統的板卡級波長(cháng)轉換板的方案，極大的提升了線(xiàn)路帶寬的利用率，相對傳統設備能效提高30%以上。

圖6 基于OTN平臺，實(shí)現對100G帶寬的100%利用率

　　其次，當前主流的OTN設備多采用交叉單元智能溫備份技術(shù)，在保證網(wǎng)絡(luò )和設備性能的情況下，用于備份的交叉單元的功耗降低60%以上，因此100G OTN系統的功耗得到進(jìn)一步的降低。
　　關(guān)鍵技術(shù)之六：結合ASON技術(shù)，降低單位帶寬的網(wǎng)絡(luò )能耗
　　100G OTN網(wǎng)絡(luò )中引入ASON特性，也能提升光線(xiàn)路帶寬的利用效率。以最簡(jiǎn)單的3個(gè)節點(diǎn)下1+1保護和ASON保護對比為例，如下圖。假設A-B間業(yè)務(wù)帶寬為100G，B-C間業(yè)務(wù)帶寬為100G，考慮1+1 SNCP保護，環(huán)網(wǎng)上A-B,B-C,C-A鏈路所需容量均為200G；倘若考慮100G ASON保護，A-C鏈路所需容量?jì)H需100G，使得網(wǎng)絡(luò )總帶寬節省了16.67%，因此網(wǎng)絡(luò )能耗也減少了16.67%。

圖7 三個(gè)節點(diǎn)1+1保護和ASON保護對比

　　3. 華為有效解決100G能耗問(wèn)題
　　當前，華為等主流設備商已采用如上的組合技術(shù)對100G產(chǎn)品進(jìn)行了系統化的節能優(yōu)化，有效降低了100G系統的功耗和提升了網(wǎng)絡(luò )的能效比。當前，華為100G系統的能效比（以10G為基準）已經(jīng)接近0.8，有力地支撐了全球客戶(hù)的商用化部署，截止目前，華為已經(jīng)幫助全球50余個(gè)運營(yíng)商和部署了100G網(wǎng)絡(luò )。
　　未來(lái)隨著(zhù)芯片工藝的提升，更小封裝光模塊的普及，以及更高集成度系統的應用，100G的能效比將會(huì )持續優(yōu)化。綠色節能是行業(yè)發(fā)展的重大使命，華為將持續提供最優(yōu)的綠色節能方案，推動(dòng)行業(yè)不斷往前發(fā)展，助力全球客戶(hù)，共建綠色通信的未來(lái)光網(wǎng)絡(luò )。