淺談降低100G系統(tǒng)功耗的六大關(guān)鍵技術(shù)

　　1. 能耗是100G規(guī)模商用的核心問(wèn)題

　　根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）2008年的統(tǒng)計(jì)，從1973年到2006年，全球能源消耗上升73％，C02排放增長(zhǎng)了79％，能源的消耗導(dǎo)致了溫室效應(yīng)和一系列的自然災(zāi)害。為了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，主流運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商先后啟動(dòng)節(jié)能減排計(jì)劃，應(yīng)對(duì)能耗的挑戰(zhàn)。

　　如火如荼的100G已具備商用條件，然而100G要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的部署還需要解決一些挑戰(zhàn)。這主要是因?yàn)?00G技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)理復(fù)雜，光接收機(jī)需要使用相干接收和DSP處理，關(guān)鍵芯片沒(méi)有ASIC化，導(dǎo)致整個(gè)100G系統(tǒng)的功耗較高。通過(guò)下圖可以看出，當(dāng)100G單板功耗值達(dá)到280W左右時(shí)，才能和10G做到和能效比相當(dāng)。因此，如何降低100G系統(tǒng)的功耗，提供綠色低碳的解決方案，就成為各大通信設(shè)備商關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

　　圖1 10G、40G、100G功耗對(duì)比圖

　　2. 100G OTN綠色節(jié)能的六大關(guān)鍵技術(shù)

　　100G 系統(tǒng)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(tǒng)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：客戶側(cè)光模塊、業(yè)務(wù)映射處理單元、線路側(cè)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(shè)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(tǒng)功耗的實(shí)現(xiàn)方案。

　　關(guān)鍵技術(shù)之一：持續(xù)提升ASIC工藝

　　目前業(yè)界主流的波分設(shè)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(tǒng)降功耗打下基礎(chǔ)。100G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也一直緊跟芯片工藝改進(jìn)的步伐并享受升級(jí)帶來(lái)的巨大節(jié)能收益，通過(guò)改進(jìn)ASIC的工藝，100G業(yè)務(wù)單板的節(jié)能成果顯著。

　　通過(guò)下圖的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，目前已經(jīng)成熟使用45nm工藝，相對(duì)130nm工藝能使門電路功耗降低50%；未來(lái)ASIC設(shè)計(jì)達(dá)到28nm時(shí)，100G系統(tǒng)的功耗還會(huì)大幅下降，達(dá)到甚至優(yōu)于當(dāng)前的10G 單位比特功耗水平。

　　圖3 ASIC工藝改進(jìn)節(jié)能效果

　　關(guān)鍵技術(shù)之二：降低光模塊功耗

　　在100G系統(tǒng)中，光模塊的功耗也占有相當(dāng)?shù)谋壤?，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(yīng)電源管理技術(shù)，對(duì)模塊關(guān)鍵功耗芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，能有效降低處于待機(jī)狀態(tài)模塊的功耗最大可達(dá)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(zhuǎn)換效率

　　電源效率的提升對(duì)整個(gè)設(shè)備的功耗降低起到了不可小覷的作用，因?yàn)樗袉伟宥加玫?a target="_blank">電源模塊，即便是4%的效率提升，節(jié)省的能耗也是驚人的。

　　為了提升100G波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換板和線路卡單板電源效率，可通過(guò)使用高效率開關(guān)電源，電源轉(zhuǎn)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、優(yōu)化電源架構(gòu)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(shù)的100G設(shè)備支持對(duì)功耗動(dòng)態(tài)化控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)精細(xì)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)斷可顯著減少OTN系統(tǒng)能耗。

　　智能風(fēng)扇技術(shù)：采用智能風(fēng)扇技術(shù)，設(shè)備常溫工作狀態(tài)，風(fēng)扇可運(yùn)行在50％轉(zhuǎn)速，可節(jié)省70％的風(fēng)扇功耗；

　　動(dòng)態(tài)功率控制：當(dāng)板卡不工作時(shí)，支持將板卡設(shè)置為待機(jī)態(tài)，節(jié)能40％；當(dāng)100G系統(tǒng)檢測(cè)到光模塊未用時(shí)，則關(guān)閉該通道所對(duì)應(yīng)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(jiān)控管理的技術(shù)，100G系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)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(shè)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(xiàn)對(duì)100G帶寬100%的使用率。相比較傳統(tǒng)的板卡級(jí)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換板的方案，極大的提升了線路帶寬的利用率，相對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備能效提高30%以上。

　　圖6 基于OTN平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)100G帶寬的100%利用率

　　其次，當(dāng)前主流的OTN設(shè)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(shè)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(tǒng)的功耗得到進(jìn)一步的降低。

　　關(guān)鍵技術(shù)之六：結(jié)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，也能提升光線路帶寬的利用效率。以最簡(jiǎn)單的3個(gè)節(jié)點(diǎn)下1+1保護(hù)和ASON保護(hù)對(duì)比為例，如下圖。假設(shè)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(hù)，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(hù)，A-C鏈路所需容量?jī)H需100G，使得網(wǎng)絡(luò)總帶寬節(jié)省了16.67%，因此網(wǎng)絡(luò)能耗也減少了16.67%。

　　圖7 三個(gè)節(jié)點(diǎn)1+1保護(hù)和ASON保護(hù)對(duì)比

　　3. 華為有效解決100G能耗問(wèn)題

　　當(dāng)前，華為等主流設(shè)備商已采用如上的組合技術(shù)對(duì)100G產(chǎn)品進(jìn)行了系統(tǒng)化的節(jié)能優(yōu)化，有效降低了100G系統(tǒng)的功耗和提升了網(wǎng)絡(luò)的能效比。當(dāng)前，華為100G系統(tǒng)的能效比（以10G為基準(zhǔn)）已經(jīng)接近0.8，有力地支撐了全球客戶的商用化部署，截止目前，華為已經(jīng)幫助全球50余個(gè)運(yùn)營(yíng)商和部署了100G網(wǎng)絡(luò)。

　　未來(lái)隨著芯片工藝的提升，更小封裝光模塊的普及，以及更高集成度系統(tǒng)的應(yīng)用，100G的能效比將會(huì)持續(xù)優(yōu)化。綠色節(jié)能是行業(yè)發(fā)展的重大使命，華為將持續(xù)提供最優(yōu)的綠色節(jié)能方案，推動(dòng)行業(yè)不斷往前發(fā)展，助力全球客戶，共建綠色通信的未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)。