6 月 19 日，數十萬美國電視劇《權力的遊戲》的粉絲上線觀看翹首以盼的一集，並引發了該頻道流媒體服務的區域性故障。約有 15,000 名客戶只能對著黑屏怒吼了一個多小時。
該頻道 HBO 道歉並承諾避免再次發生。但這一事件只是一個日益緊迫的問題的特別公開的例子：隨著全球網際網路流量估計每年增長 22%，對頻寬的需求正在迅速超過提供商提供頻寬的最佳努力。
儘管自 1990 年代以來取得了巨大進步，當時早期的網路使用者不得不使用撥號調變解調器並忍受“全球等待”，但網際網路仍然是一個建立在百年曆史電話系統之上的全球拼湊網路。最初構成系統核心的銅線已被光纖電纜取代，這些電纜在大型資料中心之間每秒傳輸數萬億位元。但是本地鏈路上的服務水平要低得多，並且在使用者端，它可能看起來像是電子裝置在土路上行駛。
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由此產生的數字交通擁堵威脅要扼殺資訊科技革命。當手機通話在繁忙時段變得模糊不清、資料連線在擁擠的會議中心慢如爬行以及影片流在觀看高峰時段停頓下來時，消費者已經可以感受到這些限制。網際網路公司痛苦地意識到，今天的網路遠未為移動高畫質影片的未來做好準備，自動駕駛汽車、遠端手術、遠端呈現和互動式 3D 虛擬現實遊戲。
這就是為什麼他們花費數十億美元來清除交通擁堵並動態地重建網際網路的原因，這一努力被廣泛認為對於數字革命至關重要，計算機能力的擴充套件。谷歌已與 5 家亞洲電信公司合作，在俄勒岡州、日本和臺灣之間鋪設一條長 11,600 公里、耗資 3 億美元的光纖電纜，該電纜於 6 月開始投入使用。微軟和 Facebook 正在跨大西洋鋪設另一條電纜，將於明年開始投入使用。華盛頓特區電信市場研究公司 TeleGeography 的海底電纜專家埃裡克·克雷菲爾德特表示：“這些公司正在進行根本性的投資以支援他們的業務。” 這些公司負擔不起瓶頸。
鋪設新的高速電纜只是改進措施之一。研究人員和工程師也在嘗試其他一些修復方法，從加速行動網路到渦輪增壓全球中繼資料的伺服器。
第五代
至少目前，擴充套件問題的一部分比較容易解決。歐洲和北美許多地區已經佈滿了“暗光纖”：由過於樂觀的投資者在 2000 年最終破裂的網際網路泡沫期間鋪設的、從未使用的光纖網路。今天，供應商通常可以透過開始使用其中一些暗光纖來滿足不斷增長的需求。
但是，這種硬線連線無助於大量的手機、健身追蹤器、虛擬現實頭盔和其他現在上線的裝置。來自移動裝置的資料流量估計每年增長 53%，其中大部分最終將透過行動電話塔或“基站”，這些基站的覆蓋範圍已經不確定，並且其頻寬必須由數千使用者共享。
質量也不穩定。在 1980 年代推出的第一代行動電話網路使用模擬訊號，早已不復存在。但是，在 1990 年代初增加了簡訊等數字服務的第二代 (2G) 網路仍然佔非洲和中東地區移動使用者量的 75%，並且現在才在其他地方逐步淘汰。截至去年，西歐的大多數手機使用者都在 3G 網路上，該網路於 1990 年代末推出，旨在允許更多複雜的數字服務（如網際網路訪問）。
最先進的商業網路現在使用 4G，該網路於 2000 年代後期推出，為智慧手機提供高達每秒 100 兆位元的寬頻速度，並且現在正在迅速普及。但行業專家表示，為了滿足預計到 2020 年代的需求，無線提供商將不得不開始部署速度至少快 100 倍的第五代 (5G) 技術，最高速度以每秒數百億位元計。
英國吉爾福德薩里大學通訊系統研究所負責人拉希姆·塔法佐利表示，5G 訊號還需要比目前可行的範圍更廣泛地共享。他說：“目標是如何支援每平方公里一百萬個裝置”——足以容納蓬勃發展的“物聯網”，該物聯網將包括聯網的家用電器到能源控制和醫療監控系統，以及自動駕駛汽車。
與之前的 3G 和 4G 過渡一樣，向 5G 的過渡正在由一個名為第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 的行業聯盟協調。塔法佐利正在與該聯盟合作測試一種稱為多輸入多輸出 (MIMO) 的技術，基本上，這是一種使每個無線電頻率一次攜帶多個數據流，而不會讓它們混合成亂碼的方法。其想法是在發射器和接收器上都放置多個天線，從而建立多個訊號離開一個併到達另一個的途徑。複雜的訊號處理可以區分不同的路徑，並從中提取獨立的每個資料流。
MIMO 已經用於 Wi-Fi 和 4G 網路。但智慧手機的小尺寸目前將每個智慧手機限制為不超過四個天線，並且基站上的數量也相同。因此，5G 研究的一個關鍵目標是在兩者上都擠壓更多的天線。
大型無線公司已經在實驗室和貿易展上展示了天線數量非常多的 MIMO。在 2 月份在西班牙巴塞羅那舉行的移動世界大會上，裝置製造商愛立信進行了多人大型 MIMO 系統的即時室內演示，使用 512 單元天線在一對終端之間傳輸每秒 25 吉位元，其中一個終端是固定的，另一個在軌道上移動。該系統已經完成了 100 吉位元 5G 目標的四分之一，並且在 15 吉赫的頻率下傳輸，這是計劃用於 5G 的高頻段的一部分。日本無線運營商 NTT DoCoMo 正在與愛立信合作測試室外裝置，韓國電信正計劃在韓國舉辦 2018 年冬季奧運會時展示 5G 服務。
Nik Spencer/《自然》，2016 年 8 月 10 日，doi:10.1038/536139a
另一種方法是使裝置更具適應性。移動裝置可以不使用單一、硬線連線的頻率，而是可以使用有時稱為認知無線電的技術：一種使用軟體將其無線鏈路切換到當時恰好開放的任何無線電通道的裝置。塔法佐利表示，這不僅可以使資料自動在最快的通道中移動，還可以透過尋找繞過故障點的方式來提高網路彈性。而且，他說，透過更換軟體而不是更換硬體來升級性能要容易得多。
與此同時，5G 過渡的一個關鍵政策挑戰是找到提供足夠頻寬和覆蓋範圍的無線電頻譜。國際協議已經將幾乎所有可訪問的頻率分配給特定的用途，例如電視廣播、海上導航甚至射電天文學。因此，最終的修改必須等到 2019 年世界無線電通訊大會。但是，美國聯邦通訊委員會 (FCC) 正試圖透過向電信公司拍賣 1 吉赫以下的頻率來搶佔先機。這些低頻曾因其比更高的頻率更適合穿透牆壁和其他障礙物而被保留用於廣播電視（但在電視轉向數字化後不再需要），塔法佐利表示，這些低頻對於服務人口稀少的地區特別有吸引力：只需要少量基站即可為家庭提供寬頻服務，並將資料傳輸到高速公路上的自動駕駛汽車。
隨著 2G 和 3G 技術的逐步淘汰，可以在 1-6 吉赫範圍內的其他頻段開放以供 5G 使用。但是，人口稠密城市地區的最佳希望是利用 6 吉赫以上的頻率，這些頻率目前很少使用，因為它們的範圍非常短。這將需要在人口稠密城市地區每 200 米部署 5G 基站，這是城市 4G 網路典型間距的五分之一。但是，美國聯邦通訊委員會認為這個想法很有希望，因此於 7 月 14 日正式批准開放這些頻率用於高速、快速響應服務。英國監管機構 Ofcom 正在考慮採取類似的措施。
公司對這些更高的頻率特別感興趣，以此來擴充套件 5G 技術以用於其他用途。在美國，無線運營商 Verizon 和包括愛立信、思科、英特爾、諾基亞和三星在內的裝置製造商聯盟已經在新澤西州、馬薩諸塞州和德克薩斯州的站點測試了 28 吉赫的傳輸。該系統使用 5G 技術以每秒 1 吉位元的速度傳輸資料，Verizon 正在將其用於固定無線家庭連線，並計劃明年進行測試。該公司一直在推動固定無線作為有線連線的替代方案，因為連線成本要低得多。
更大的管道
新澤西州伊頓鎮的海底電纜製造商 TE SubCom 的首席技術官尼爾·貝加諾說：“當我拿出手機時，每個人都認為它是一種無線通訊裝置。” 然而，他說這只是故事的一部分：“使用者是移動的，但網路不是移動的。” 當有人使用手機時，其無線電訊號會在最近的基站轉換為光訊號，然後光訊號必須透過固定的光纖傳輸到目的地。
這些柔性玻璃資料通道已經成為全球電信網路超過四分之一個世紀的主幹。沒有任何東西可以匹敵它們的頻寬：如今，一根細如髮絲的光纖可以每秒跨越大西洋傳輸10太位元（萬億位元）的資料。這相當於每秒傳輸25張雙層藍光光碟的資料量，是1988年鋪設的第一條跨大西洋光纜容量的3萬倍。其中大部分增長來自於工程師們學會了如何透過一根光纖傳送100個獨立的訊號，每個訊號都有自己的波長。但是，隨著紐約到倫敦等高流量線路上的流量持續增加，這種方法正面臨一些硬性限制：光線在數千公里的玻璃中傳播時，不可避免地會產生失真和噪聲，這使得在單一波長上傳送超過每秒100吉位元的資料實際上變得不可能。
為了克服這個限制，製造商開發了一種新型光纖。標準的纖維透過中間9微米寬的超純玻璃芯傳送光線，而新設計則將光線分散到更大的芯區域，降低強度，從而減少噪聲。缺點是，新光纖對彎曲和拉伸更敏感，這可能會引入錯誤。但是，它們在海底電纜中工作得非常好，因為深海提供了一個良性、穩定的環境，對光纖的壓力很小。
去年，位於加利福尼亞州桑尼維爾的網路系統公司Infinera透過大面積光纖傳送了每秒150吉位元的單波長訊號，距離達到7400公里，是標準光纖可能傳輸距離的3倍多，足以跨越大西洋。他們還傳輸了距離更短的每秒200吉位元的訊號。
目前投入使用的最高容量商用海底電纜是60太位元/秒的FASTER系統，該系統於6月在俄勒岡州和日本之間開通。它在6對大芯光纖中的每根光纖上以100個波長髮送每秒100吉位元的訊號。但在5月下旬，微軟和Facebook聯合宣佈計劃透過MAREA超越它：一條連線弗吉尼亞州和西班牙之間6600公里的大面積光纖電纜。該電纜計劃於2017年10月完工，屆時將以每秒160太位元的速度連線兩家公司位於大西洋兩岸的資料中心。
加州大學聖地亞哥分校的一個研究小組去年演示了另一種減少效能限制噪聲的方法。光纖系統通常為每個波長使用單獨的雷射器，但微小的隨機變化會產生噪聲。相反，該小組使用了一種稱為頻率梳的技術，從單個雷射器生成一系列均勻間隔的波長（E. Temprana et al. Science 348, 1445–1448; 2015）。“它像魔法一樣”減少了噪聲，該研究小組的成員，電氣工程師尼古拉·艾利克說。他說，經過進一步開發，這種方法可以將光纖系統的資料速率提高一倍。
飛行時間
令人印象深刻的頻寬很有用，但及時性也很重要。人類的語音對中斷非常敏感，四分之一秒的延遲會干擾電話或影片對話。影片需要固定的幀速率，因此當輸入佇列耗盡時，流媒體影片會停止。為了克服這些問題，FCC規則允許使用特殊的程式碼，優先傳輸攜帶語音通話或影片幀的資料包，使其在網際網路中快速均勻地流動。
包括遠端機器人、遠端手術、雲計算和互動式遊戲在內的新興服務也對網路響應能力很敏感。訊號在兩個終端之間往返所需的時間（通常稱為延遲）主要取決於距離，這是一個塑造網際網路地理的現實。即使資料以每秒20萬公里的速度在光纖電纜中傳播，是空氣中光速的三分之二，在倫敦敲擊鍵盤的人仍然需要86毫秒才能收到來自8600公里外舊金山資料中心的響應，這種延遲會使雲計算變得非常緩慢。
新興的移動應用需要寬頻寬和低延遲。例如，自動駕駛汽車需要關於其周圍環境的即時資料，以警告它們前方存在的危險，從坑窪到事故。傳統汽車正變成無線神經中樞，需要低延遲來實現“擴音”語音控制系統。
一個潛在的巨大挑戰是3D虛擬現實系統的出現。互動式3D遊戲需要資料以每秒1吉位元的速度傳輸，是藍光光碟典型影片饋送速度的20倍。但最關鍵的是，影像必須以每秒至少90次的頻率重寫，以跟上使用者轉頭觀看動作的速度，普渡大學西拉斐特分校的計算機科學家大衛·惠廷希爾說。如果資料流落後，使用者就會感到暈動病。為了防止這種情況發生，惠廷希爾在他的虛擬現實實驗室安裝了一條特殊的每秒10吉位元的光纖線路。
為了加快響應速度，谷歌、微軟、Facebook和亞馬遜等大型網際網路公司在全球多個伺服器場中儲存其資料的副本，並將查詢路由到最近的伺服器場。Infinera的解決方案和技術主管傑夫·貝內特說，快取在本地資料中心的影片使觀看者能夠像檔案儲存在家庭裝置上一樣快進。但他表示，這些資料中心的激增也是頻寬需求的最大驅動因素之一：供應商為同步全球私人資料中心所做的努力現在消耗的頻寬比公共網際網路流量更多。微軟-Facebook電纜正是為此目的而建造的。
到目前為止，大多數資料中心都位於客戶和電纜所在地：在北美、歐洲和東亞。“世界許多地區仍然依賴於對未在本地儲存的內容進行遠端訪問，”克賴費爾特說。他說，南美的資料中心很少，因此大部分內容來自佈線良好的佛羅里達州邁阿密：智利和巴西之間的流量可能會透過邁阿密路由以節省成本，但會以延遲為代價。中東也面臨同樣的問題，85%的國際流量必須前往歐洲的中心。克賴費爾特說，這種情況正在改變，但進展緩慢。亞馬遜網路服務今年在印度的孟買推出了其第一個雲資料中心；自2011年以來，它在巴西的聖保羅就有一個類似的資料中心。
內部通訊
頻寬在最小的尺度上也至關重要：在資料中心伺服器組中的晶片上和晶片之間。擴充套件這裡的流量可以幫助資訊在資料中心內更快地移動，並更快地到達使用者。由於散熱問題，晶片的時鐘速度（晶片的執行速度）幾年前停留在幾吉赫茲。顯著加快處理器速度的最實際方法是將它們執行的操作分配給多個“核心”：在同一晶片上並行執行的獨立微處理器。這需要在晶片內部進行高速連線，而實現連線的一種方法是使用光，光可以比電子更快地移動資料。
最大的障礙是將微型光學器件與矽電子器件整合。經過多年對“矽光子學”的研究，工程師們尚未找到一種從矽中有效產生光的方法，這是光學資訊處理的關鍵步驟。最好的半導體光源（如磷化銦）可以鍵合到矽晶片上，但很難直接在矽上生長，因為它們的原子間距不同。光學和電子元件已整合到磷化銦上，但到目前為止，僅限於小規模。
為了將光子整合擴充套件到商業水平，美國去年在紐約州羅切斯特成立了美國整合光子製造研究所，該研究所獲得了聯邦機構1.1億美元和工業界及其他來源5.02億美元的支援。其目標是開發一種高效的技術，為包括光通訊和計算在內的高速應用製造整合光子器件。
另外，一個加拿大資助的團隊今年早些時候演示了一種具有21個有源元件的光子積體電路，該電路可以程式設計以執行3種不同的邏輯功能(W. Liuet al. Nature Photon. 10, 190–195; 2016)。這對於光子微處理器來說是重要的一步，其複雜性可與開啟微型計算機大門的第一批可程式設計電子晶片相媲美。該研究的合著者，加拿大渥太華大學的電氣工程師姚建平說：“與目前的電子器件相比，它很簡單，但與光子積體電路相比，它相當複雜。”
進一步的開發可能會帶來各種應用。例如，姚說，在最佳化晶片以進行製造之後，它可以將基站接收到的5G智慧手機訊號轉換為模擬光訊號，然後透過光纖傳輸到中央設施，然後再進行數字化處理。
與網際網路問題的其他部分一樣，對更快晶片的追求是一個艱鉅的挑戰。但像貝爾加諾這樣的研究人員看到了很多改進的潛力。他說，在從事光纖工作35年後，“當我想到未來時，我仍然是一個完全的樂觀主義者。”
本文經許可轉載，首次發表於2016年8月10日。