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

正是在這個(gè)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(shí)，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(guó)運(yùn)營(yíng)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(shí)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(hào)上網(wǎng)時(shí)代的網(wǎng)速，這一切都是難以想象的。那時(shí)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(hào)上網(wǎng)加速到如今以Tb為單位計(jì)算的網(wǎng)速的?我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)日漸膨脹的帶寬需求?

消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)的萌芽時(shí)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(lái)越多的用戶連接到了網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)時(shí)，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(wàn)維網(wǎng)的發(fā)明和投入應(yīng)用，讓因特網(wǎng)真正實(shí)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(jià)親民了。

不過，早期的消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)沒有自己的專用線路，只能在發(fā)展了一個(gè)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(hào)調(diào)變到模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸，再在終端“解調(diào)”收到的模擬信號(hào)，以獲得最初的數(shù)字信號(hào)。

盡管第一臺(tái)電話調(diào)制解調(diào)器在1958年就在貝爾實(shí)驗(yàn)室被發(fā)明出來(lái)，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(jì)用于個(gè)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(hào)上網(wǎng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是占用了電話線。當(dāng)你用“貓”上網(wǎng)時(shí)，電話就無(wú)法接通了。

21世紀(jì)初接入千家萬(wàn)戶的ADSL(非對(duì)稱用戶數(shù)字線，“非對(duì)稱”主要體現(xiàn)在上行速率和下行速率的非對(duì)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(shí)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?。但是銅導(dǎo)線的瓶頸在于：線路中能夠傳輸?shù)男盘?hào)波形是有限的，即便是傳輸能力更強(qiáng)的同軸電纜也是如此。另一方面，銅線通過電子的移動(dòng)來(lái)傳輸信號(hào)，傳輸過程中信號(hào)的衰減較為嚴(yán)重，這讓信號(hào)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(hào)上網(wǎng)。根據(jù)皮尤研究中心的數(shù)據(jù)，2004年時(shí)，美國(guó)寬帶上網(wǎng)的人數(shù)首次與撥號(hào)上網(wǎng)持平。寬帶的普及伴隨著無(wú)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(huì)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(gòu)物和即時(shí)交流也變得沒有障礙。

但是，“寬帶”的定義其實(shí)并不很明確。比如在本世紀(jì)初，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)對(duì)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(hào)調(diào)制解調(diào)器的4倍以上。到了2010年，F(xiàn)CC對(duì)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(jí)，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(hào)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(shì)是不會(huì)像導(dǎo)線那樣產(chǎn)生電磁場(chǎng)，因此同一根線纜中可以包裹許多獨(dú)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?cè)?988年鋪設(shè)第一條跨洋光纖時(shí)的3萬(wàn)倍。讓這種速度飛躍得以實(shí)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(shí)傳輸100個(gè)不同頻段的信號(hào)。

即便如此，由于跨洋光纖數(shù)千公里的長(zhǎng)度，光傳輸過程中再小的信號(hào)扭曲和噪聲信號(hào)也會(huì)積少成多、造成麻煩。因此，在同時(shí)傳輸?shù)牟ǘ沃?，每個(gè)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(hào)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(duì)拉扯和彎折更加敏感。

幸而海底的環(huán)境更加穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)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(guó)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(duì)光纖，每對(duì)可傳輸100個(gè)波段，單個(gè)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(duì)光纖可實(shí)現(xiàn)總計(jì)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(jí)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(duì)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(guó)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(jí)別的中繼點(diǎn)，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(diǎn)，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(lái)還可能超過1Tb/秒。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或許是為農(nóng)村地區(qū)的消費(fèi)者提升網(wǎng)速更好的一種方式。通訊供應(yīng)商無(wú)需重新鋪設(shè)線纜，只需啟動(dòng)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(jì)傳輸能力(如20Gb/秒)，有些家庭甚至不必通過線纜接入寬帶，因?yàn)闊o(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)可能有信號(hào)不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)。再者說，無(wú)線基站本身也需要有線網(wǎng)絡(luò)的支撐——用戶是“移動(dòng)”的，但信號(hào)基站是位置固定、需要通過光纖聯(lián)網(wǎng)的。

另一個(gè)方案是提升傳輸信號(hào)的頻率范圍。英國(guó)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(lái)光纖中的信號(hào)如果能超越紅外頻段，也可能帶來(lái)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(jì)算。但是一旦到了地區(qū)和用戶級(jí)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(diǎn)還會(huì)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(shí)段觀看視頻。

更高的帶寬固然重要，信號(hào)的即時(shí)性同樣不可忽視。人類對(duì)語(yǔ)音的中斷十分敏感，因此電話或視頻會(huì)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(jì)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(shí)也要求低延遲的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度。自動(dòng)駕駛汽車和遠(yuǎn)程手術(shù)的信號(hào)延遲會(huì)造成危險(xiǎn)，而3D交互游戲的延遲掉幀，則會(huì)造成玩家的眩暈感，影響游戲體驗(yàn)。

兩個(gè)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(hào)曲折前進(jìn)，直線方向的傳播速度為20萬(wàn)公里/秒，因此從倫敦發(fā)出的信號(hào)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(duì)于云計(jì)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(lái)越多的數(shù)據(jù)中心，對(duì)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(dòng)駕駛等革命性技術(shù)都無(wú)從談起。和計(jì)算機(jī)處理芯片需要不斷升級(jí)一樣，網(wǎng)絡(luò)速度也有不斷擴(kuò)容的需求。

其實(shí)，在鋪設(shè)之初，許多光纖的容量其實(shí)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(duì)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(lái)，互聯(lián)網(wǎng)每年的流量增幅達(dá)到25%——用戶對(duì)于帶寬需求的增加，正在加速超越供應(yīng)商的硬件升級(jí)能力。那么，未來(lái)的網(wǎng)速該如何升級(jí)呢?

用諾獎(jiǎng)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(shí)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?yàn)閷?duì)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(jiǎng)。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(zhǎng)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(huì)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(zhǎng))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(zhǎng)的紅外信號(hào)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(gè)波長(zhǎng)的激光，而光頻梳利用一束激光，一塊溫控芯片和一個(gè)環(huán)形光諧振器，就能發(fā)射大量不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。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(zhǎng)的激光打到諧振器上時(shí)，它能精準(zhǔn)地將單色的激光分解為多個(gè)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(duì)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(hào)噪聲、增加了傳輸效率。當(dāng)時(shí)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(cè)試，并實(shí)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(cè)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(jì)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(shí)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(jí)別的網(wǎng)速。今天普通消費(fèi)者能夠購(gòu)買到的最高網(wǎng)速，是1Gb/秒的“谷歌光纖”項(xiàng)目，但使用者并不算多。美國(guó)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(jí)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(lái)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(zhǎng)的路要走。

但今天的網(wǎng)速就夠快了嗎?真實(shí)的情況是：十多年前人們?cè)谙訔壘W(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(lái)，隨著云計(jì)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(huì)越來(lái)越大。寬帶漸寬，但總是不太夠用。