新冠肺炎席卷全球期間，大量人口被迫宅在家，對各地的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商造成了的一次巨大考驗。

正是在這個節(jié)骨眼上，澳大利亞科學(xué)家宣布開發(fā)出了一種指甲蓋大小的芯片，將它接入現(xiàn)有的商用光纖時，單根光纖每秒可以傳輸44.2Tb(1Tb大約相當(dāng)于1000Gb)數(shù)據(jù)。這是目前該國運營商類似網(wǎng)路設(shè)施速度的大約100倍。

澳大利亞科學(xué)家在單根光纖上實現(xiàn)了打破世界紀(jì)錄的44.2Tb/秒數(shù)據(jù)傳輸速度。網(wǎng)速的進(jìn)化史上有哪些里程碑?我們用得著這么快的網(wǎng)速嗎?

在線辦公，在線社交，在線娛樂已經(jīng)成了今天的常態(tài)——人們似乎忘了，如果按照撥號上網(wǎng)時代的網(wǎng)速，這一切都是難以想象的。那時的音樂需要在“下載”后欣賞，能夠在線流暢收聽的，唯有調(diào)制解調(diào)器那嘰嘰咕咕的嘶鳴聲。

我們是如何從撥號上網(wǎng)加速到如今以Tb為單位計算的網(wǎng)速的?我們?nèi)绾螒?yīng)對日漸膨脹的帶寬需求?

消費者互聯(lián)網(wǎng)的萌芽時代

雖然互聯(lián)網(wǎng)的雛形最早可以追溯到上世紀(jì)60年代，但直到80年代末90年代初，隨著各種因特網(wǎng)協(xié)議和技術(shù)被標(biāo)準(zhǔn)化，才有越來越多的用戶連接到了網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)時，網(wǎng)絡(luò)的使用仍然有技術(shù)門檻和可能性上的局限，而萬維網(wǎng)的發(fā)明和投入應(yīng)用，讓因特網(wǎng)真正實現(xiàn)了所有人的互聯(lián)。到了上世紀(jì)90年代中期，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)變得更加廉價親民了。

不過，早期的消費者互聯(lián)網(wǎng)沒有自己的專用線路，只能在發(fā)展了一個世紀(jì)的電話網(wǎng)絡(luò)上，打了一塊“補(bǔ)丁”——互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)借助普通電話線進(jìn)行傳播，但需要先將數(shù)字信號調(diào)變到模擬信號進(jìn)行傳輸，再在終端“解調(diào)”收到的模擬信號，以獲得最初的數(shù)字信號。

盡管第一臺電話調(diào)制解調(diào)器在1958年就在貝爾實驗室被發(fā)明出來，但一直用于該機(jī)構(gòu)內(nèi)部的設(shè)備互聯(lián)。第一部被設(shè)計用于個人電腦(PC)的調(diào)制解調(diào)器發(fā)明于1977年，但是速度更快的56k調(diào)制解調(diào)器，到了1996年才問世。以這種設(shè)備的速度，下載1Gb的文件需要三天半以上。撥號上網(wǎng)的另一個缺點是占用了電話線。當(dāng)你用“貓”上網(wǎng)時，電話就無法接通了。

21世紀(jì)初接入千家萬戶的ADSL(非對稱用戶數(shù)字線，“非對稱”主要體現(xiàn)在上行速率和下行速率的非對稱性上)服務(wù)讓網(wǎng)速有了可感知的提升。ADSL利用數(shù)字編碼技術(shù)從銅質(zhì)電話線上獲取最大數(shù)據(jù)傳輸容量，同時又不干擾在同一條線上進(jìn)行的常規(guī)話音服務(wù)(原因是它用電話話音傳輸以外的頻率傳輸數(shù)據(jù))。

可以說，銅導(dǎo)線曾經(jīng)是互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)摹凹沽骸薄５倾~導(dǎo)線的瓶頸在于：線路中能夠傳輸?shù)男盘柌ㄐ问怯邢薜?，即便是傳輸能力更?qiáng)的同軸電纜也是如此。另一方面，銅線通過電子的移動來傳輸信號，傳輸過程中信號的衰減較為嚴(yán)重，這讓信號傳輸?shù)木嚯x受到了限制。

隨著寬帶網(wǎng)用戶數(shù)量的增多，其成本也逐漸下降，于是更多的人放棄了撥號上網(wǎng)。根據(jù)皮尤研究中心的數(shù)據(jù)，2004年時，美國寬帶上網(wǎng)的人數(shù)首次與撥號上網(wǎng)持平。寬帶的普及伴隨著無線局域網(wǎng)(WLAN)的出現(xiàn)，也徹底改變了人們網(wǎng)上沖浪的方式。沒有這種速度，互聯(lián)網(wǎng)就不會有今天的廣泛應(yīng)用。也正是網(wǎng)速的上升，讓各種視頻網(wǎng)站紛紛崛起，網(wǎng)上購物和即時交流也變得沒有障礙。

但是，“寬帶”的定義其實并不很明確。比如在本世紀(jì)初，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對寬帶的定義是：上傳或者下載的傳輸速度大于200kb/秒。這種速度相當(dāng)于老式56k撥號調(diào)制解調(diào)器的4倍以上。到了2010年，F(xiàn)CC對寬帶的定義改為：至少4Mb/秒下載速度，1Mb/秒上傳速度。2015年，這一標(biāo)準(zhǔn)又改為至少25Mb/秒下載速度，3Mb/秒上傳速度。網(wǎng)民的增加和網(wǎng)絡(luò)科技的升級，讓“寬帶”被不斷重新定義。

光纖的逐漸普及

從上世紀(jì)80年代開始，光纖就成為了通訊系統(tǒng)的一大支柱。光纖中的光信號攜帶信息更多，且周期性地被光放大器增強(qiáng)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。另一方面，光纖的優(yōu)勢是不會像導(dǎo)線那樣產(chǎn)生電磁場，因此同一根線纜中可以包裹許多獨立的光纖。

如今，一根頭發(fā)粗細(xì)的光纖就能以10Tb/秒的速度，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱笱蟊硕?。其傳輸能力，是人們?988年鋪設(shè)第一條跨洋光纖時的3萬倍。讓這種速度飛躍得以實現(xiàn)的最大突破，是工程師們研究出了如何在單條光纖中同時傳輸100個不同頻段的信號。

即便如此，由于跨洋光纖數(shù)千公里的長度，光傳輸過程中再小的信號扭曲和噪聲信號也會積少成多、造成麻煩。因此，在同時傳輸?shù)牟ǘ沃校總€頻道最大的傳輸速度也幾乎不可能超過100Gb/秒。

為了打破這一瓶頸，制造商又開發(fā)出一種新型的光纖。標(biāo)準(zhǔn)光纖的超純度玻璃核心直徑只有9毫米，而新型光纖增加了這一直徑，并使用更低的信號傳輸強(qiáng)度，減少了噪聲。不過，尺寸更大的玻璃纖維，意味著光纖對拉扯和彎折更加敏感。

幸而海底的環(huán)境更加穩(wěn)定，不會對新型光纖造成過多外力干擾。世界上最高速的光纖之一，連接美國西海岸和日本的FASTER系統(tǒng)用的就是上述新型光纖，該系統(tǒng)的6對光纖，每對可傳輸100個波段，單個波段速度100Gb/秒，總速度達(dá)60Tb/秒。2017年，微軟和臉書共同出資架設(shè)的 MAREA大西洋海底電纜鋪設(shè)完成，它的8對光纖可實現(xiàn)總計160Tb/秒的傳輸速度。

光纖雖然能夠?qū)崿F(xiàn)更快的網(wǎng)速，但成本比銅導(dǎo)線更高，而鋪設(shè)新的光纖線纜也需要額外的支出。因此除了互聯(lián)網(wǎng)巨頭之外，并不是所有社區(qū)都愿意馬上升級光纖網(wǎng)絡(luò)，至少不是“光纖入戶”。在人口稠密的城市地帶，對線纜進(jìn)行更新?lián)Q代的收益大于成本，因此光纖網(wǎng)絡(luò)較為常見。但在人煙稀少的農(nóng)村地區(qū)，線纜更新?lián)Q代的頻率就要低一些。

即便光纖網(wǎng)絡(luò)從十年前開始就陸續(xù)在人口稠密的地區(qū)投入使用，但連通光纖網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，“最后一公里”的信息如何傳輸，可能決定了網(wǎng)絡(luò)的速度瓶頸。

以英國為例：一些地區(qū)的用戶還在使用傳統(tǒng)ADSL寬帶——利用銅導(dǎo)線連接到街道級別的中繼點，再通過銅導(dǎo)線連接到用戶家庭。一些社區(qū)則應(yīng)用了FTTC(光纖到街邊)接入方式——用高速光纖將數(shù)據(jù)傳輸至社區(qū)中繼點，但每家每戶仍通過銅導(dǎo)線連接入網(wǎng)，這種接入方式的最快速度可達(dá)66Mb/秒。而全程沒有銅線，只用光纖的FTTP接入(光纖到駐地)方式，傳輸速度理論上可以遠(yuǎn)超過1Gb/秒，未來還可能超過1Tb/秒。

無線網(wǎng)絡(luò)或許是為農(nóng)村地區(qū)的消費者提升網(wǎng)速更好的一種方式。通訊供應(yīng)商無需重新鋪設(shè)線纜，只需啟動覆蓋整片區(qū)域的新天線基站即可。按照5G網(wǎng)絡(luò)的預(yù)計傳輸能力(如20Gb/秒)，有些家庭甚至不必通過線纜接入寬帶，因為無線入網(wǎng)的速度，已經(jīng)能夠匹敵最快的有線連接方式。

但有些通訊專家也謹(jǐn)慎地提醒：無線網(wǎng)絡(luò)可能有信號不夠穩(wěn)定的缺點。再者說，無線基站本身也需要有線網(wǎng)絡(luò)的支撐——用戶是“移動”的，但信號基站是位置固定、需要通過光纖聯(lián)網(wǎng)的。

另一個方案是提升傳輸信號的頻率范圍。英國正在開發(fā)的G.Fast技術(shù)仍基于傳統(tǒng)的銅導(dǎo)線傳輸數(shù)據(jù)，但頻率擴(kuò)展后數(shù)據(jù)的傳輸速度可以超過300Mb/秒。同樣，未來光纖中的信號如果能超越紅外頻段，也可能帶來更快的傳輸速度。

現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)仍需提速

隨著光纖廣泛投入應(yīng)用，大型數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)以Tb/秒為單位計算。但是一旦到了地區(qū)和用戶級別，網(wǎng)絡(luò)速度又變得不夠用。每逢網(wǎng)絡(luò)使用的高峰期，一些節(jié)點還會形成“交通堵塞”，比如在人流密集的商超嘗試上網(wǎng)，或者在高峰時段觀看視頻。

更高的帶寬固然重要，信號的即時性同樣不可忽視。人類對語音的中斷十分敏感，因此電話或視頻會議的音頻或視頻質(zhì)量不高尚能繼續(xù)，但“掉幀”卻是難以容忍的。此外，云計算、遠(yuǎn)程手術(shù)、交互游戲等新興技術(shù)，不僅要求高帶寬，同時也要求低延遲的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度。自動駕駛汽車和遠(yuǎn)程手術(shù)的信號延遲會造成危險，而3D交互游戲的延遲掉幀，則會造成玩家的眩暈感，影響游戲體驗。

兩個網(wǎng)絡(luò)終端之間的交互延遲，主要的影響因素是二者的距離。光纖中的光信號曲折前進(jìn)，直線方向的傳播速度為20萬公里/秒，因此從倫敦發(fā)出的信號沿著光纖傳播，最快也要86毫秒后才能從8600公里外的舊金山獲得反饋，這種延遲對于云計算等應(yīng)用是難以承受的。

由于這種物理學(xué)層面的限制難以克服，谷歌、微軟、亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)巨頭將他們的數(shù)據(jù)在世界各地的服務(wù)器中心進(jìn)行備份，以便就近、更快地讀取數(shù)據(jù)。但越來越多的數(shù)據(jù)中心，對帶寬造成了更大的壓力。這些大公司的數(shù)據(jù)同步中心消耗的帶寬，如今甚至超過了公眾使用的互聯(lián)網(wǎng)。

所以，如果網(wǎng)速不能提上去，那么遠(yuǎn)程手術(shù)，自動駕駛等革命性技術(shù)都無從談起。和計算機(jī)處理芯片需要不斷升級一樣，網(wǎng)絡(luò)速度也有不斷擴(kuò)容的需求。

其實，在鋪設(shè)之初，許多光纖的容量其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了用戶的需求，但線纜鋪設(shè)過程的成本不菲，因此服務(wù)商就在線纜中預(yù)留了未使用的“暗光纖”。所以對帶寬的提升，最初只要不斷啟用新的暗光纖即可。

但是隨著流媒體等服務(wù)的興起，近年來，互聯(lián)網(wǎng)每年的流量增幅達(dá)到25%——用戶對于帶寬需求的增加，正在加速超越供應(yīng)商的硬件升級能力。那么，未來的網(wǎng)速該如何升級呢?

用諾獎技術(shù)改造現(xiàn)有光纖

前文提到的打破網(wǎng)速紀(jì)錄的光纖芯片，利用了“光頻梳”結(jié)構(gòu)，能夠創(chuàng)造出一系列紅外光，讓數(shù)據(jù)得以同時通過各種波段的光傳輸。

光頻梳是激光技術(shù)領(lǐng)域的重大革新，2005年，兩位科學(xué)家就因為對光頻梳技術(shù)的開創(chuàng)性工作，獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎。就像普通的梳子能把頭發(fā)分成綹一樣，光頻梳能將單色的輸入激光轉(zhuǎn)化為波長間隔相等的一系列光線。

為了充分利用光纖線路上光增大器的輸出光譜，不同類型的數(shù)據(jù)會被分配到不同的紅外線波段——就像白色的可見光可以被棱鏡分為不同顏色(波長)的單色光那樣，紅外波段也可分為不同的“色彩”，各自傳輸不同的數(shù)據(jù)。不同波長的紅外信號可以在同一根光纖中傳輸，到了終端再予分離——現(xiàn)有的裝置需要在光纖中分別產(chǎn)生各個波長的激光，而光頻梳利用一束激光，一塊溫控芯片和一個環(huán)形光諧振器，就能發(fā)射大量不同波長的光信號。這些微型設(shè)備中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)是環(huán)形的光諧振器，在單種波長的激光打到諧振器上時，它能精準(zhǔn)地將單色的激光分解為多個頻道。

將光頻梳技術(shù)應(yīng)用于光纖，這并不是第一次。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊2015年發(fā)表在《科學(xué)》上的研究中，就通過光頻梳技術(shù)減少了信號噪聲、增加了傳輸效率。當(dāng)時研究者表示：通過進(jìn)一步的發(fā)展，該方案能讓光纖系統(tǒng)的傳輸速率翻倍。

本次破紀(jì)錄的芯片，采用了全新類型的“光孤子晶體(soliton crystals)”光頻梳。研究者將這種芯片在墨爾本已有的光纖網(wǎng)路上進(jìn)行測試，并實現(xiàn)44.2Tb/秒的高速傳輸，這證明了現(xiàn)有的光纖只要更換芯片，就能夠大幅提升速度。

研究者在墨爾本已有的光纖網(wǎng)路上測試了光頻梳芯片

另一方面，由于這類光頻梳的制備技術(shù)正是目前商業(yè)化量產(chǎn)計算機(jī)芯片的技術(shù)，研究者認(rèn)為，大規(guī)模生產(chǎn)這種光學(xué)芯片是能夠很快實現(xiàn)的。

這一技術(shù)突破，并不意味著家家戶戶很快能用上Tb/秒級別的網(wǎng)速。今天普通消費者能夠購買到的最高網(wǎng)速，是1Gb/秒的“谷歌光纖”項目，但使用者并不算多。美國能源部專用的科學(xué)網(wǎng)絡(luò)ESnet，速度達(dá)到了400Gb/秒，但只留給了NASA之類的機(jī)構(gòu)使用。由于成本等原因，Gb/秒級別的網(wǎng)速還是沒能平民化。本次打破網(wǎng)速紀(jì)錄的研究者也表示，他們的技術(shù)將首先利用于連接大型的數(shù)據(jù)中心。

數(shù)十年間，網(wǎng)速的提升帶來了翻天覆地的變化，但另一方面，全球仍有43%的人口沒有連上互聯(lián)網(wǎng)。也許網(wǎng)速紀(jì)錄的打破，只是為人們展示了一種可能性，而網(wǎng)速提升的便利最終惠及普羅大眾，仍有很長的路要走。

但今天的網(wǎng)速就夠快了嗎?真實的情況是：十多年前人們在嫌棄網(wǎng)絡(luò)卡頓，今天的我們還在嫌棄網(wǎng)絡(luò)卡頓……在我們可預(yù)見的未來，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展成熟，網(wǎng)絡(luò)的壓力只會越來越大。寬帶漸寬，但總是不太夠用。