浅谈降低100G系统功耗的六大关键技术

　　1. 能耗是100G规模商用的核心问题

　　根据国际能源机构（IEA）2008年的统计，从1973年到2006年，全球能源消耗上升73％，C02排放增长了79％，能源的消耗导致了温室效应和一系列的自然灾害。为了企业的可持续发展，主流运营商、设备商先后启动节能减排计划，应对能耗的挑战。

　　如火如荼的100G已具备商用条件，然而100G要实现大规模的部署还需要解决一些挑战。这主要是因为100G技术实现机理复杂，光接收机需要使用相干接收和DSP处理，关键芯片没有ASIC化，导致整个100G系统的功耗较高。通过下图可以看出，当100G单板功耗值达到280W左右时，才能和10G做到和能效比相当。因此，如何降低100G系统的功耗，提供绿色低碳的解决方案，就成为各大通信设备商关注的热点话题。

　　

　　图1 10G、40G、100G功耗对比图

　　2. 100G OTN绿色节能的六大关键技术

　　100G 系统主要包括4个部分：100G业务板、OTN交叉单元、风扇板、管理模块，其中100G业务板的功耗占整个系统功耗的7成左右。100G业务板的功能模块又可分为三部分：客户侧光模块、业务映射处理单元、线路侧光模块。其中，各功能模块中的业务处理芯片占了100G业务板功耗的6成左右。

　　

　　图2 设备及业务板功耗分布图

　　下文将从ASIC、光模块、电源等方面进行讨论，介绍目前主流的降低100G系统功耗的实现方案。

　　关键技术之一：持续提升ASIC工艺

　　目前业界主流的波分设备商均自主研发ASIC芯片，并通过芯片制程的提升来降低芯片的功耗，为OTN系统降功耗打下基础。100G系统的设计也一直紧跟芯片工艺改进的步伐并享受升级带来的巨大节能收益，通过改进ASIC的工艺，100G业务单板的节能成果显著。

　　通过下图的数据可以发现，目前已经成熟使用45nm工艺，相对130nm工艺能使门电路功耗降低50%；未来ASIC设计达到28nm时，100G系统的功耗还会大幅下降，达到甚至优于当前的10G 单位比特功耗水平。

　　

　　图3 ASIC工艺改进节能效果

　　关键技术之二：降低光模块功耗

　　在100G系统中，光模块的功耗也占有相当的比例，因此降低光模块的功耗，也具有重要意义。

　　光模块主要通过采用自适应电源管理技术，对模块关键功耗芯片的工作状态进行动态调节，能有效降低处于待机状态模块的功耗最大可达60％。

　　

　　图4 光模块电源管理优化

　　关键技术之三：提升电源转换效率

　　电源效率的提升对整个设备的功耗降低起到了不可小觑的作用，因为所有单板都用到电源模块，即便是4%的效率提升，节省的能耗也是惊人的。

　　为了提升100G波长转换板和线路卡单板电源效率，可通过使用高效率开关电源，电源转换效率提升到88~89%。与此同时，通过采用主备48V电源MOS管合路、减少电源种类、优化电源架构等手段，可使电源效率最大提升至90％。

　　关键技术之四：动态功率管理技术

　　目前，绝大多数的100G设备支持对功耗动态化控制，实现对精细化管理，主要包括端口控制技术、智能风扇技术、动态功率控制等。

　　端口控制技术：端口在空闲时，支持自动关断可显著减少OTN系统能耗。

　　智能风扇技术：采用智能风扇技术，设备常温工作状态，风扇可运行在50％转速，可节省70％的风扇功耗；

　　动态功率控制：当板卡不工作时，支持将板卡设置为待机态，节能40％；当100G系统检测到光模块未用时，则关闭该通道所对应的处理路径上芯片，使功耗降低10％以上。

　　基于以上的智能功耗监控管理的技术，100G系统可以实现10~20%的功耗降低。

　　

　　图5 动态管理带来功耗的下降

　　关键技术之五：大容量OTN交叉提升100G设备能效

　　首先，100G技术配合大容量的OTN交叉矩阵，在承载小颗粒业务时，可实现对100G带宽100%的使用率。相比较传统的板卡级波长转换板的方案，极大的提升了线路带宽的利用率，相对传统设备能效提高30%以上。

　　

　　图6 基于OTN平台，实现对100G带宽的100%利用率

　　其次，当前主流的OTN设备多采用交叉单元智能温备份技术，在保证网络和设备性能的情况下，用于备份的交叉单元的功耗降低60%以上，因此100G OTN系统的功耗得到进一步的降低。

　　关键技术之六：结合ASON技术，降低单位带宽的网络能耗

　　100G OTN网络中引入ASON特性，也能提升光线路带宽的利用效率。以最简单的3个节点下1+1保护和ASON保护对比为例，如下图。假设A-B间业务带宽为100G，B-C间业务带宽为100G，考虑1+1 SNCP保护，环网上A-B，B-C，C-A链路所需容量均为200G；倘若考虑100G ASON保护，A-C链路所需容量仅需100G，使得网络总带宽节省了16.67%，因此网络能耗也减少了16.67%。

　　

　　图7 三个节点1+1保护和ASON保护对比

　　3. 华为有效解决100G能耗问题

　　当前，华为等主流设备商已采用如上的组合技术对100G产品进行了系统化的节能优化，有效降低了100G系统的功耗和提升了网络的能效比。当前，华为100G系统的能效比（以10G为基准）已经接近0.8，有力地支撑了全球客户的商用化部署，截止目前，华为已经帮助全球50余个运营商和部署了100G网络。

　　未来随着芯片工艺的提升，更小封装光模块的普及，以及更高集成度系统的应用，100G的能效比将会持续优化。绿色节能是行业发展的重大使命，华为将持续提供最优的绿色节能方案，推动行业不断往前发展，助力全球客户，共建绿色通信的未来光网络。