光是怎么一步步把铜逼进机柜的
上一篇讲的是铜和光的交叉点，速率每翻一倍，那个点就往短距离挪一步。这一篇把时间拉长一点。Kevin 在节目里把一百多年的通信史压成了三次跃迁，无线和有线、铜和光、长距离到短距离。我听下来觉得这个框架挺好用，顺着它讲，就能比较清楚地看到那个交叉点是怎么从大西洋海底一路挪到机柜边上的。
先说一个我以前没想明白的事。大家印象里通信是不是一路往无线走的啊？电报是线，电话是线，后来有了手机，有了 Wi-Fi，现在连房车露营都能挂个星链。我以前大概也觉得线这东西早晚要被淘汰。但骨干那一层，跨洋跨洲那种大流量的传输，一百多年来一直是有线在扛。
无线为什么一直没赢下骨干网
先捋一下顺序，有线是先来的。1837 年，英国的库克和惠斯通拿到了英国第一个电报专利，同一年莫尔斯在纽约也独立做出了自己那套系统，两边互不知情。电话是贝尔发明的，1874 年夏天他在加拿大安大略 Brantford 的家里想出了这个点子，1876 年 3 月拿到专利，打通了第一个电话。然后无线才登场。1901 年 12 月，马可尼在纽芬兰用风筝拉起一根天线，收到了从英国康沃尔发过来的一个字母 S，三个短点，跨了大概 3440 公里。这是人类第一次不靠电缆隔着大西洋收到信号。但得说清楚，那只是单向的一次实验，无线电报真正能商用、跑稳，要到 1907 年前后。
从这以后，有线和无线就开始拉锯了，最好看的例子是跨大西洋电话。1927 年第一条商用越洋电话开通，走的是无线电，整条线路同一时刻只能有一路通话，就一路。打三分钟大概 $75，也有资料说是 $45，反正换算成今天的购买力，打三分钟要上千美元。三十年之后，1956 年，第一条跨大西洋海底同轴电缆 TAT-1 开通，36 路通道，35 路话音加 1 路电报，质量和容量一下就把无线压下去了。到了六七十年代，通信卫星起来了，1962 年 Telstar 做了第一次跨大西洋电视直播，后来 Intelsat 那套体系又把很多跨洋的话音和电视信号抢了回去。
到 1988 年就基本定了。那一年第一条跨大西洋海底光缆 TAT-8 上线，280 Mbit/s，差不多够四万路电话同时打，是上一代铜缆 TAT-7 的十倍左右。从那以后卫星就再没夺回过主导权。今天洲际的数据流量，绝大多数走的是海底光缆。业内常说 99%，TeleGeography 专门查过这个数，找不到官方出处，比较稳的说法是 95% 以上。跨洋的卫星通信只是补充和备份。所以接入这一头确实越来越无线，手机、Wi-Fi、星链都是，但骨干网一直走有线，原因就是容量。接入可以无线，骨干上那么大的流量，无线扛不动。Kevin 这个说法我觉得站得住。
通信史不是无线取代有线：无线争的是覆盖，有线争的是容量，今天绝大多数洲际数据流量走的还是海底光缆
那星链呢？它不就是纯无线吗？节目里敏姐也追问了这个。Kevin 的解释是，星链你买回家的是一个收发器，放阳台上或者屋顶上，它跟头顶的卫星通信，卫星再跟离它最近的地面基站通信，而基站和基站之间那段长距离，走的还是光缆。无线只管了最后那一段覆盖，真正要搬的那些流量，还是走光缆。这个例子比手机更有说服力，因为在大家印象里，星链是最「无线」的东西了。
那有线里面，为什么铜又输给了光？这笔账要从中继站算起。
中继站是个啥，为什么它把铜逼到了头
上一篇讲过铜的病根，趋肤效应加介质损耗，频率越高，信号衰减得越厉害。导线数量不变，想提容量就只能提频率。可频率一提，信号跑不了多远就没劲了，幅度变小，波形变糊。那就只能沿路隔一段修一个站，把信号接住，放大、整形，再原样发出去，跑下一段。这个站就叫中继站。Kevin 的比方是接力赛的交接棒，或者古代驿站的换马处。他现场还举了一个野营的例子。三个人爬上三个山头，人的嗓子大概只能喊两公里，敏姐在第一个山头想传话给石磊，就得先喊给站在中间山头的 Kevin，Kevin 听清了再喊给石磊，直接喊石磊，他是什么都听不到的。敏姐接了一句，这像小时候玩的传话游戏，排成一列一个一个往后传，最后看末尾那个人说得对不对。
这个传话游戏其实把中继站的代价也说出来了。中继站不是白接的，它得先判断你发过来的到底是什么，一判断就可能判错。模拟的中继站会把自己那份噪声一起传下去，数字的中继站可能把某一位判错。站越多，错得越多。而且每个站都要建、要供电、要维护，铺在海底的尤其贵。到了 70 年代，同轴载波已经做到了技术极限，陆地干线上的中继站密到每一两公里就有一个，1974 年的 L-5 系统大概 1.6 公里一个。容量越大站就越密，建站、供电、维护的钱全跟着涨，这条路当时眼看就走到头了。
1966 年，高锟和 George Hockham 提了一个当时看着很离谱的判断，说玻璃可以拿来传光，只要把损耗降到每公里 20 dB 以下，就能用来通信。离谱在哪？当时最好的光学玻璃，损耗是每公里 1000 dB，差了五十倍，所以那会儿大家都当这是天方夜谭。高锟 2009 年拿到诺贝尔奖，离这篇论文已经 43 年了。
1970 年这一年出了两件事。8 月，康宁的三个人 Maurer、Keck、Schultz 用掺钛的石英拉出了每公里 17 dB 的光纤，第一次跌破 20 dB 那条线。同一年，半导体激光器也能在室温下连续工作了，而且是两个队几乎同时做出来的，苏联约飞所的 Alferov 在 5 月，贝尔实验室的 Hayashi 和 Panish 在 6 月。玻璃丝和往里打光的灯同一年都有了，高锟那篇论文一下就变成了能做的事。顺便说一句，康宁这家公司今天还在做光纤，Kevin 在节目里随口提了一句，这个不展开。
再往后五十年，损耗一路往下掉。今天常见的商用光纤，每公里衰减在 0.18 到 0.20 dB，超低损耗的能做到 0.16、0.17，实验室纪录是 0.14。跑 100 公里也就 20 dB，听起来不少，但你对比一下，上一篇那个 224G 的铜链路，从芯片到芯片整条链路算下来就能到 40 dB 量级，是光纤跑 100 公里的两倍。这个胜负是物理性质定的，跟谁工艺好没多大关系。而且光纤还有第二个优势，就是带宽。一根玻璃丝配上波分复用，让不同波长的光并排跑，容量比铜高出好几个数量级。这两笔账上一篇算过了，这里不重复。机房里最新的高速有源铜缆，一根也就几百 G 到 1.6T，而且只能在机柜里面和相邻机柜之间这几米里用。
中国在这条线上是后来者。1976 年赵梓森在武汉拉出了国内第一根实用光纤，之后这五十年是怎么从下游爬到上游的，第五篇再展开。武汉今天叫「光谷」，Kevin 在节目里考了一下主持人它的英文名，敏姐答的是 Optics Valley，答对了。这个 Optics 指的是光器件，不是物理学里的那个 light。敏姐还顺手澄清了一下，河北也有个「光谷」，那个是光伏，跟这个不是一回事。
第三次跃迁挪的是边界
前两次跃迁都是技术换代，第三次不太一样。光的技术没换代，换的是光和铜的分界线画在哪。行业里说了很多年的「光进铜退」，讲的就是这个。Kevin 给了一条时间线，我照着列一下。上世纪八十年代，光先拿下洲际海缆，就是 TAT-8 那一拨。九十年代是省际干线，两千年代是城域网。2010 年代光纤入户，光猫进了你家墙上。2015 年之后，光进了数据中心机房，几十到几百米的距离也开始走光。到今天，机柜和机柜之间，超过一到三米就是光纤的天下。下一站是机柜之内、芯片封装之内，也就是 CPO，第四篇专门讲。这么算下来，五十年里铜被一路挤到了最后这一到三米。
五十年来光进铜退的边界一直往芯片端推：从洲际海缆、省际干线、城域网、光纤入户、机房，推到今天的机柜之间，下一站是封装之内
以前光通信主要做电信市场，一根海缆几年才修一条，距离长，量少。现在主场换成了数通市场，距离短，出货量大，拼的是成本，Kevin 说一个 AI 集群一次就要插几万只模块。后面这种打法，中国厂商正好占便宜，这个留到第五篇说。
看到这里大概会有个疑问，为什么光是先在远的地方赢，再一步步往近处推，而不是反过来啊？还是上一篇那笔账。铜按距离付费，距离越长，中继越多，屏蔽线缆也越贵。光按端口付费，转换一次的钱是固定的。所以距离越长，光就比铜越划算，光当然先从最远的地方把铜替掉。然后每一代速率翻倍，铜能跑的距离就砍一半，光就跟着往里推。
计算机那边也走了一遍同样的路
上面讲的是通信网。同一段时间，计算机这边也在走一条平行的线。芯片和芯片、主机和外设、机器和机器之间，也都要通信。Kevin 把这条线概括成一句话，并行改串行、单端改差分。
六十年代的 RS-232 串口是串行的，一根线上数据一位一位排队走，Kevin 给的数是最高大概 115 kb/s，放到今天，传一张手机照片要三四分钟。到了七十年代，打印机用的 Centronics 并口出来了，八根线并排，同时各传一位，速率到了每秒一两兆字节。当年的直觉很朴素，八根线一起跑，当然比一根线快八倍。
那后来为什么又放弃并行了？这段 Kevin 在音频里讲得比文字稿清楚。八根线要放在一起走，可做线材的工艺没法保证这八根一模一样，就好像八条跑道长度不一样。你同时发，到终点却是先后到的，八根线上的数据最后对不齐。速度慢的时候，这点差别无所谓。速度一上去，一位数据占的那点时间比跑道之间的差还短，就全乱了。
所以 2000 年前后，整个行业集体掉头，放弃并行，全面改走串行。2003 年 PCIe 登场，用的是差分信号，两根线传一个信号，靠两根线的差值来判 0 和 1，抗干扰强很多。PCIe 单通道从 2.5 GT/s 起步，到 2025 年发布第七代规范，已经做到 128 GT/s，一条通道快了五十倍。同一时期，USB 从 12 Mb/s 一路走到 USB4 的 80 Gb/s，硬盘接口也从并行的 ATA 换成了串行的 SATA。反正就是不再指望多根线同步，只管把一根差分线的速率做到极致。
干这件事的电路就是 SerDes，串行器加解串器。发送端把一堆并行数据压成一根线上的高速串行流，接收端再拆回并行。Kevin 的比方是，本来有十条泥泞的乡村小路各自运货，现在把它们汇到一条平坦宽敞的高速公路上，到了终点再分回十条小路。敏姐当场复述了一句，喔，这些方法都是 SerDes，Kevin 说对。上一篇讲过通信界的摩尔定律，10G 到 25G 到 56G 到 112G 再到 224G，说的就是这一根线的速率。
网络这条线也一样。以太网 1980 年从 10 Mb/s 的共享同轴电缆起步，1998 年到千兆，2002 年到万兆。万兆这里有个例外得说清楚，10GBASE-T 用 Cat6a 网线还能跑满 100 米。所以准确点说，到了 25G 及以上的速率，或者距离超过 100 米，基本就只剩光纤这一种介质了。数据中心里更是沿着 25G、100G、400G、800G 一路跑到 1.6T。
所以打印机线、USB、PCIe、以太网，底下其实是同一套物理学。Kevin 说电信那边的光和计算机这边的电是两条河，最后在数据中心碰上了，碰头的那个器件就是光模块。这个「两条河」的说法，我觉得比什么「产业融合」之类的词好懂多了。
边界推进机柜以后，下一个问题就很具体了，光电转换那个点到底该放在离芯片多近的地方？是插在面板上，还是贴到交换芯片旁边，还是干脆封进同一个封装里？这道题第四篇讲。对了，如果你对光本身怎么被硅片驯服感兴趣，隔壁系列的人类是怎么管住光的讲的是光刻那条线，算是光的另一种用法。
本文整理自播客《十分吸引》第 75 期「光与电的游戏：有线通讯史的百年之争」，嘉宾 Kevin（芯片系统工程师），主播石磊、敏姐、孙悦。产业链的这套讲法是 Kevin 的，我只做了主题重编和文字整理，理解有偏差的地方锅在我。节目和本文都不构成任何投资建议，提到的公司只是产业链上的例子。
