作者：邬賀铨院士
編輯：張楠
來源：阿裡雲研究
網際網路的發展演進
網際網路最早是學術科研的網絡，當網際網路進入社會應用，誕生了中外一大批知名的網際網路企業，随着移動網際網路、雲計算、大資料的出現，網際網路從數字化、網絡化走到了智能化，到現在進入了工業網際網路的時代。網際網路在發展過程中面臨着不斷的挑戰，整個網際網路發展過程是一個創新的過程。
回顧前十年的情況，超算、微處理器以及存儲、路由器、交換晶片、無線接口等領域，增長速度年均平均40%甚至到90%。
從2018年到2022年分成三個階段，可以看到整個通信的網絡發展速度在提升，根據Cisco VNI 報告，固網的接入速率五年來增長數倍；過去十年，對時延的要求從40毫秒嚴格到1毫秒，嚴格了40倍；全球移動資料流量從2016年到2021年，年均增長47%。
根據這些技術的發展情況，推算到十年的發展水準，可以看到CPU晶片十年增長了64倍，存儲器的成本十年下降了2萬倍，光纖通訊十年提升了100倍，移動通信的峰值速率提升了1000倍，超算的算力也提升了1000倍，大資料的量提升了32倍，整個通信以及網絡的能力在不斷提升。
網際網路面臨的挑戰
即便有這樣的發展，網際網路仍然面臨很大的挑戰，未來的網絡業務可能會瞄準全息的遠端傳送，要求高精度、确定性，我們在網絡上需要引入流量工程、差分服務、盡力而為，這樣的業務發展會帶來對網絡能力新的要求。
以4K、8K的超清電視、虛拟現實、增強現實和全息圖象幾個領域為例，從吞吐量來講，全息圖象要求4-10個T比特每秒；從時延來講，要求亞毫秒級的時延要求；從抖動而言，虛拟現實、增強現實以及自動控制要求抖動不能高于0.1毫秒；丢包率要控制在“10的負6”，可用性至少要“5個9”；并發的流量，全息流量、需要上千項的。
可以說面向2030年，網絡面臨着使用者資料速率率要高于一個T比特每秒，而且要引入觸覺通信，對時延要求非常嚴格。另外，我們要求精準的時間同步，也就是确定性，同時要支援多流，服務品質有确定性的，要給使用者提供數字型驗，還要可信性。也就是說網際網路繼續發展，會面臨可擴充性、确定性、安全性、泛在性、大連接配接、可管理性、服務品質和能效的要求。
網際網路未來的技術發展
01.光纖通信系統容量繼續擴充
通過多重的多元度，也可以把光纖比如成跟移動通信那樣一代一代的發展。從時分複用時代、波分複用時代、正交頻分複用時代，到偏振複用、多模複用時代，現在走到空分複用以及軌道角動量，後續還會進一步長距離走到相幹通信。
單纖的容量20年提高了1萬倍，目前的水準，單波長可以做到800個G，單纖做到100個T，而沒有放大的傳輸距離到100公裡。我們還可以在一根光纖當幾根用，多模等等，提高比特率。
那麼光纖的理論容限到多少呢？如圖所示，現在利用的帶寬是25個T赫茲，實際上在每公裡小于0.35dB的這個限度内，我們可利用的波長52個T赫茲，也就相當于380納米。根據香農定理可以計算出來，無論怎麼設計波長數和每個波長間隔，如果把波分複用考慮進去，光纖大概至少可以支援到260T比特每秒，目前的容量與之還有一定的距離。
當然光纖通訊發展離不開我們的光的器件，2020年矽光晶片可以實作了1.6個Tb（Tbps）的傳輸，還有400G（Gbps）的交換能力，未來的矽光可以把整個380納米的波長都利用上，将來還可以把光電子跟微電子內建，現在利用相幹技術，幹線的光單波長可以做到T比特，單纖可以做到P比特，長距離至少也能做到100T比特。
接入網從10G（PON）到100G（PON），将來還會從光纖到戶到光纖到房間。空間雷射現在也發展得很快，5Gb（Gbps）的星地4萬公裡已經實驗成功了，10年以後也許可以做到100個G比特每秒。
02.新一代無線與移動通信技術
我們再來看看移動通信，第一代移動通信是模拟的，靠頻率的分割來支撐使用者；以GSM為代表的2G是數字的，以時隙的不同區分使用者；3G都是CDMA碼分多址；4G把時分、頻分、碼分利用起來，做到峰值速率100兆；現在5G在多址方式跟4G的上面演進，峰值速率可以做到20個G比特。
基本上移動通信是10年一代，每一代是前一代峰值速率的1000倍。未來十年，我們會走到6G的時代，峰值速率有可能做到100個G，技術上主要利用把基站做得更密、把天線做得更多、把頻率利用得更好，把實體層的技術進一步地改進。
5G跟4G比，在多項性能上有1到2個數量級的提升，我們會按照增強移動寬帶高可靠、低延遲時間、廣覆寫、大連接配接，去發展6G的業務。6G的特點是更高的速率，峰值可以100G甚至到1個T；更高的頻段，可以到太赫茲，單信道帶寬可以上G赫茲，未來可以實作天地的協同，更加綠色、智能、安全。可以支援的技術現在已經有一些設想，但是這些都有待未來進一步的創新過程中，通過實踐，通過實驗來驗證。
除了5G作為無線技術，WiFi也發展很快，今年WiFi6就可以到8-9G比特， WiFi技術十年大概容量提升了15倍。
03.IPv6将煥發生機
除了傳輸技術、光纖和無線，我們再說說網絡，業界一直在探讨，但目前還沒有發現網際網路體系可行的颠覆性的解決方案。
- （1）APN6（應用感覺網）
現在看好IPV6，今後十年還會在IPV6上繼續創新，比如說IPV6+。IPV6是一個位址很豐富的網際網路協定，實際上這個位址不僅僅可以用來辨別終端的身份，也可以辨別節點和路由。過去的IP位址隻能訓示人們選路，從有源位址到目的位址，現在我們在IPV6上面引入了定義業務服務品質，前面可以區分使用者的身份、使用者的APP、使用者的服務類型，後邊的應用需求裡邊，我們可以定義使用者需要的帶寬、要求的延時、抖動和丢包率。8比特裡可以很詳細地定義使用者需要的性能上的名額要求，這樣我們就可以有針對性地為使用者提供适應他要求的信道。
- （2）iFIT（随流檢測）
另外，在IPV6路上可以實作随流檢測，所謂随流檢測就是一邊傳輸，一邊在IPV6上邊我們通過定義一些比特，來測量我們在傳輸過程中的丢包率、時延，不僅僅判斷端到端的服務品質，還可以分段，未來還可以支援确定性的網絡。
通過IPV6進行分段選路方面，我們收集了整個網絡的大資料、業務的流量流向和網絡資源，根據使用者的需求，我們設計了使用者端到端的路由，控制器下發到源節點。比如說第一個節點搜到102，就知道馬上要把這個包送到R2，R2搜到205，就知道這個包要到R5，R5搜到506就知道到6，這樣就可以組織一條路由。如果發生故障就需要上報，上報以後修改它的指令，把路由重新轉移。這種分段選路，能夠優化網絡資源的配置，提供網絡切片，能夠支援低延遲時間的分發、多點傳播，預置備份路由，甚至可以多路由備援傳輸，來保證網絡的高可靠。
- （3）IPv6可實作真實源位址溯源
IPV6還可以實作真實的源位址溯源，增加網絡安全性，其報頭還有很大的開銷，這些都是可以程式設計的空間，未來可以開發更多的功能。
04.算力的發展
整個通信發展離不開大資料和人工智能。下圖顯示了超算的能力的發展，這裡邊有三條曲線，第一條是全球500強超算能力之和，中間一條是第一名的能力。今年最高能力已經發展到415個Pflops了，相當可觀。從這個曲線的軌迹來看，超算能力的發展是十年千倍的速度，到今年6月份，全球超算前5名裡有日本的、美國的、中國的，在超算500強裡頭，中國已占45%。
計算機的CPU的能力基本是按照摩爾定律來發展的。目前CPU的處理能力已經接近鼠腦的能力，未來會進一步往人腦的能力相當來發展。按照斯坦福的統計，在2012年以前，人工智能所需要的算力是每兩年翻一番，在2012年之後3至4個月翻一番。根據OpenAI的統計，2012年到2019年整個深度學習所推進的人工智能的計算量已經增長了30萬倍。
考慮到機器學習的計算，大部分是做一種分類器，是以精度沒要求那麼高，而且計算的數學公式沒那麼多，是以使用專門定位人工智能計算的計算機，也許會比通用計算機更合算。
根據IDC的統計，未來我們還會大力發展邊緣計算，有一半以上的資料會放到邊緣計算；Gartner公司甚至認為超過一半、四分之三的資料都要放到邊緣計算，是以邊緣計算未來十年也會有更大的發展機會。
05.微電子技術的發展
當然這些都離不開微電子技術的支援，在28納米的水準之前，內建電路技術的發展符合摩爾定律，每18個月內建度和性能提升一倍。從2015年到2030年，也就是未來十年，內建電路的疊代周期可能也會延長到24個月，而且內建度跟性能很難再說每一代馬上都能提升一倍。
技術進步在4G之前主要靠計算機來驅動，5G則要求更高的內建度，這已經成為推動內建電路進步的最主要因素。去年5G的終端晶片7個納米，到2022年可能就會3個納米。但是現在內建電路發展面臨着難題， 5個納米就相當于50個氧原子的直徑了，晶片表面的功率密度是電熨鬥的6倍以上，內建電路代工線的成本高達150億美元，超過了一個航母編隊，是以內建電路的發展面臨實體尺度、功耗和成本的瓶頸。
目前主要還是采用片上系統SOC和系統級封裝SIP來延續摩爾定律，但這一技術路線能否延續到2030年還是不确定的，我們期待三維的結構、計算記憶體的內建、軟硬體的聯合優化，以及一些量子器件、自旋器件、磁通量器件、碳納米管等新材料技術的進步，來推動後摩爾時代的颠覆性創新。
06.網際網路應用創新
講完硬體裝置，再來梳理應用的發展。得益于2G的數字終端能力，我們開始有了短信、手機、QQ、支付寶；3G開啟了資料傳輸的時代，誕生了智能手機，移動電子商務、自媒體、O2O以及社交的應用；4G提供了寬帶資料傳輸能力，我們可以使用掃碼支付、共享經濟、社交電商、智能搜尋和短視訊等應用。
中國和發達國家于2019年同步啟動5G，得益于5G的雲端智能融合能力，催生了超清視訊、虛拟現實、增強現實、智聯網、工業網際網路、車聯網。但移動通信的新業态是網絡覆寫比較廣、使用者有一定規模後才催生的，5G一定會産生我們還想象不到的新應用，十年以後6G的新業态和社會影響，我們更不好估量。新基建會進一步促進網際網路技術的發展。今後十年，網際網路會将出現更多的新技術、新模式、新業态。
網際網路有一句名言，我們不預測未來，我們創造未來，讓我們大家共同努力，為未來十年更好的社會，更大的網際網路的作用影響，做出我們自己的貢獻。