澳大利亚科学家在单根光纤上实现了打破世界纪电脑录的44.2Tb/秒数据传输速度。网速的进化史上有哪些里程碑？我们用得着这么快的网速吗？
撰文/记者 丁林 新媒体编辑/陈炫之
在线办公，在线社交，在线娱乐已经成了今天的常态——人们似乎忘了，如果按照拨号上网时代的网速，这一切都是难以想象的。那时的音乐需要在"下载"后欣赏，能够在线流畅收听的，唯有调制解调器那叽叽咕咕的嘶鸣声。
但今天的网速就够快了吗？真实的情况是：十多年前人们在嫌弃网络卡顿，今天的我们还在嫌弃网络卡顿……在我们可预见的未来，随着云计算、物联网等技术的发展成熟，网络的压力只会越来越大。宽带渐宽，但总是不太够用。
新冠肺炎席卷全球期间，大量人口被迫宅在家，对各地的网络服务商造成了的一次巨大考验。正是在这个节骨眼上，澳大利亚科学家宣布开发出了一种指甲盖大小的芯片，将它接入现有的商用光纤时，单根光纤每秒可以传输44.2Tb（1Tb大约相当于1000Gb）数据。这是目前该国运营商类似网路设施速度的大约100倍。
▲改写网速纪录的芯片，尺寸比硬币还小（来源：dailymail.co.uk）
我们是如何从拨号上网加速到如今以Tb为单位计算的网速的？我们如何应对日渐膨胀的带宽需求？
消费者互联网的萌芽时代虽然互联网的雏形最早可以追溯到上世纪60年代，但直到80年代末90年代初，随着各种因特网协议和技术被标准化，才有越来越多的用户连接到了网络中。当时，网络的使用仍然有技术门槛和可能性上的局限，而万维网的发明和投入应用，让因特网真正实现了所有人的互联。到了上世纪90年代中期，网络服务变得更加廉价亲民了。
不过，早期的消费者互联网没有自己的专用线路，只能在发展了一个世纪的电话网络上，打了一块"补丁"——互联网数据借助普通电话线进行传播，但需要先将数字信号调变到模拟信号进行传输，再在终端"解调&电脑#34;收到的模拟信号，以获得最初的数字信号。
尽管第一台电话调制解调器在1958年就在贝尔实验室被发明出来，但一直用于该机构内部的设备互联。第一部被设计用于个人电脑（PC）的调制解调器发明于1977年，但是速度更快的56k调制解调器，到了1996年才问世。以这种设备的速度，下载1Gb的文件需要三天半以上。拨号上网的另一个缺点是占用了电话线。当你用"猫"上网时，电话就无法接通了。
21世纪初接入千家万户的ADSL（非对称用户数字线，"非对称"主要体现在上行速率和下行速率的非对称性上）服务让网速有了可感知的提升。ADSL利用数字编码技术从铜质电话线上获取最大数据传输容量，同时又不干扰在同一条线上进行的常规话音服务（原因是它用电话话音传输以外的频率传输数据）。
可以说，铜导线曾经是互联网传输的"脊梁"。但是铜导线的瓶颈在于：线路中能够传输的信号波形是有限的，即便是传输能力更强的同轴电缆也是如此。另一方面，铜线通过电子的移动来传输信号，传输过程中信号的衰减较为严重，这让信号传输的距离受到了限制。
▲消费者常用的网线属于双绞线结构，相关的技术标准仍在不断"提速"（来源于网络）
随着宽带网用户数量的增多，其成本也逐渐下降，于是更多的人放弃了拨号上网。根据皮尤研究中心的数据，2004年时，美国宽带上网的人数首次与拨号上网持平。宽带的普及伴随着无线局域网（WLAN）的出现，也彻底改变了人们网上冲浪的方式。没有这种速度，互联网就不会有今天的广泛应用。也正是网速的上升，让各种视频网站纷纷崛起，网上购物和即时交流也变得没有障碍。
但是，"宽带"的定义其实并不很明确。比如在本世纪初，美国联邦通信委员会（FCC）对宽带的定义是：上传或者下载的传输速度大于200kb/秒。这种速度相当于老式56k拨号调制解调器的4倍以上。到了2010年，FCC对宽带的定义改为：至少4Mb/秒下载速度，1Mb/秒上传速度。2015年，这一标准又改为至少25Mb/秒下载速度，3Mb/秒上传速度。网民的增加和网络科技的升级，让"宽带"被不断重新定义。
光纤的逐渐普及从上世纪80年代开始，光纤就成为了通讯系统的一大支柱。光纤中的光信号携带信息更多，且周期性地被光放大器增强，可以进行远距离传输。另一方面，光纤的优势是不会像导线那样产生电磁场，因此同一根线缆中可以包裹许多独立的光纤。
如今，一根头发粗细的光纤就能以10Tb/秒的速度，将数据传输到大洋彼端。其传输能力，是人们在1988年铺设第一条跨洋光纤时的3万倍。让这种速度飞跃得以实现的最大突破，是工程师们研究出了如何在单条光纤中同时传输100个不同频段的信号。
即便如此，由于跨洋光纤数千公里的长度，光传输过程中再小的信号扭曲和噪声信号也会积少成多、造成麻烦。因此，在同时传输的波段中，每个频道最大的传输速度也几乎不可能超过100Gb/秒。
为了打破这一瓶颈，制造商又开发出一种新型的光纤。标准光纤的超纯度玻璃核心直径只有9毫米，而新型光纤增加了这一直径，并使用更低的信号传输强度，减少了噪声。不过，尺寸更大的玻璃纤维，意味着光纤对拉扯和弯折更加敏感。
幸而海底的环境更加稳定，不会对新型光纤造成过多外力干扰。世界上最高速的光纤之一，连接美国西海岸和日本的FASTER系统用的就是上述新型光纤，该系统的6对光纤，每对可传输100个波段，单个波段速度100Gb/秒，总速度达60Tb/秒。2017年，微软和脸书共同出资架设的 MAREA大西洋海底电缆铺设完成，它的8对光纤可实现总计160Tb/秒的传输速度。
▲各种海底缆线的横截面（来源：boingboing）
光纤虽然能够实现更快的网速，但成本比铜导线更高，而铺设新的光纤线缆也需要额外的支出。因此除了互联网巨头之外，并不是所有社区都愿意马上升级光纤网络，至少不是"光纤入户"。在人口稠密的城市地带，对线缆进行更新换代的收益大于成本，因此光纤网络较为常见。但在人烟稀少的农村地区，线缆更新换代的频率就要低一些。
即便光纤网络从十年前开始就陆续在人口稠密的地区投入使用，但连通光纤网络的地区，"最后一公里"的信息如何传输，可能决定了网络的速度瓶颈。
以英国为例：一些地区的用户还在使用传统ADSL宽带——利用铜导线连接到街道级别的中继点，再通过铜导线连接到用户家庭。一些社区则应用了FTTC（光纤到街边）接入方式——用高速光纤将数据传输至社区中继点，但每家每户仍通过铜导线连接入网，这种接入方式的最快速度可达66Mb/秒。而全程没有铜线，只用光纤的FTTP接入（光纤到驻地）方式，传输速度理论上可以远超过1Gb/秒，未来还可能超过1Tb/秒。
▲光纤在"最后一公里"进入社区的方式不同（来源：维基百科）
无线网络或许是为农村地区的消费者提升网速更好的一种方式。通讯供应商无需重新铺设线缆，只需启动覆盖整片区域的新天线基站即可。按照5G网络的预计传输能力（如20Gb/秒），有些家庭甚至不必通过线缆接入宽带，因为无线入网的速度，已经能够匹敌最快的有线连接方式。
但有些通讯专家也谨慎地提醒：无线网络可能有信号不够稳定的缺点。再者说，无线基站本身也需要有线网络的支撑——用户是"移动"的，但信号基站是位置固定、需要通过光纤联网的。
另一个方案是提升传输信号的频率范围。英国正在开发的G.Fast技术仍基于传统的铜导线传输数据，但频率扩展后数据的传输速度可以超过300Mb/秒。同样，未来光纤中的信号如果能超越红外频段，也可能带来更快的传输速度。
现有光纤网络仍需提速随着光纤广泛投入应用，大型数据中心之间的数据传输速度已经以Tb/秒为单位计算。但是一旦到了地区和用户级别，网络速度又变得不够用。每逢网络使用的高峰期，一些节点还会形成"交通堵塞"，比如在人流密集的商超尝试上网，或者在高峰时段观看视频。
更高的带宽固然重要，信号的即时性同样不可忽视。人类对语音的中断十分敏感，因此电话或视频会议的音频或视频质量不高尚能继续，但"掉帧"却是难以容忍的。此外，云计算、远程手术、交互游戏等新兴技术，不仅要求高带宽，同时也要求低延迟的网络响应速度。自动驾驶汽车和远程手术的信号延迟会造成危险，而3D交互游戏的延迟掉帧，则会造成玩家的眩晕感，影响游戏体验。
两个网络终端之间的交互延迟，主要的影响因素是二者的距离。光纤中的光信号曲折前进，直线方向的传播速度为20万公里/秒，因此从伦敦发出的信号沿着光纤传播，最快也要86毫秒后才能从8600公里外的旧金山获得反馈，这种延迟对于云计算等应用是难以承受的。
由于这种物理学层面的限制难以克服，谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头将他们的数据在世界各地的服务器中心进行备份，以便就近、更快地读取数据。但越来越多的数据中心，对带宽造成了更大的压力。这些大公司的数据同步中心消耗的带宽，如今甚至超过了公众使用的互联网。
所以，如果网速不能提上去，那么远程手术，自动驾驶等革命性技术都无从谈起。和计算机处理芯片需要不断升级一样，网络速度也有不断扩容的需求。
其实，在铺设之初，许多光纤的容量其实远远超过了用户的需求，但线缆铺设过程的成本不菲，因此服务商就在线缆中预留了未使用的"暗光纤"。所以对带宽的提升，最初只要不断启用新的暗光纤即可。
但是随着流媒体等服务的兴起，近年来，互联网每年的流量增幅达到25%——用户对于带宽需求的增加，正在加速超越供应商的硬件升级能力。那么，未来的网速该如何升级呢？
用诺奖技术改造现有光纤前文提到的打破网速纪录的光纤芯片，利用了"光频梳"结构，能够创造出一系列红外光，让数据得以同时通过各种波段的光传输。
光频梳是激光技术领域的重大革新，2005年，两位科学家就因为对光频梳技术的开创性工作，获得当年的诺贝尔物理学奖。就像普通的梳子能把头发分成绺一样，光频梳能将单色的输入激光转化为波长间隔相等的一系列光线。
▲光频梳技术（来源：ieee.org）
为了充分利用光纤线电脑路上光增大器的输出光谱，不同类型的数据会被分配到不同的红外线波段——就像白色的可见光可以被棱镜分为不同颜色（波长）的单色光那样，红外波段也可分为不同的"色彩"，各自传输不同的数据。不同波长的红外信号可以在同一根光纤中传输，到了终端再予分离——现有的装置需要在光纤中分别产生各个波长的激光，而光频梳利用一束激光，一块温控芯片和一个环形光谐振器，就能发射大量不同波长的光信号。这些微型设备中最关键的结构是环形的光谐振器，在单种波长的激光打到谐振器上时，它能精准地将单色的激光分解为多个频道。
将光频梳技术应用于光纤，这并不是第一次。加州大学圣地亚哥分校的研究团队2015年发表在《科学》上的研究中，就通过光频梳技术减少了信号噪声、增加了传输效率。当时研究者表示：通过进一步的发展，该方案能让光纤系统的传输速率翻倍。
本次破纪录的芯片，采用了全新类型的"光孤子晶体（soliton crystals）"光频梳。研究者将这种芯片在墨尔本已有的光纤网路上进行测试，并实现44.2Tb/秒的高速传输，这证明了现有的光纤只要更换芯片，就能够大幅提升速度。
▲研究者在墨尔本已有的光纤网路上测试了光频梳芯片
另一方面，由于这类光频梳的制备技术正是目前商业化量产计算机芯片的技术，研究者认为，大规模生产这种光学芯片是能够很快实现的。
这一技术突破，并不意味着家家户户很快能用上Tb/秒级别的网速。今天普通消费者能够购买到的最高网速，是1Gb/秒的"谷歌光纤"项目，但使用者并不算多。美国能源部专用的科学网络ESnet，速度达到了400Gb/电脑秒，但只留给了NASA之类的机构使用。由于成本等原因，Gb/秒级别的网速还是没能平民化。本次打破网速纪录的研究者也表示，他们的技术将首先利用于连接大型的数据中心。
数十年间，网速的提升带来了翻天覆地的变化，但另一方面，全球仍有43%的人口没有连上互联网。也许网速纪录的打破，只是为人们展示了一种可能性，而网速提升的便利最终惠及普罗大众，仍有很长的路要走。
参考资料：
[1] newatlas.com/electronics/44-terabits-internet-photonic-chip/
[2] nature.com/news/the-bandwidth-bottleneck-that-is-throttling-the-internet-1.20392
[3] nature.com/articles/s41467-020-16265-x
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
欢迎朋友圈转发
公众号、报刊等转载
请发邮件至bjkjbeditor@163.com
未经授权谢绝转载，违者必究
阅读更多权威有用的科普文章、了解更多精彩科技活动，请下载“科学加”客户端。
电脑 电脑