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信息技术的过去,现在和未来
2013-09-22 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

  20世纪在人类历史上写下了光辉的一章:1900年波罗的海的一群遇难渔民,通过无线电呼叫而得救,移动通信第一次在海上证明了它对人类的价值;1903年底莱特驾驶自己的飞行器飞上了蓝天,开创了航空交通新领域;1946年世界上第一架计算机诞生,开创了信息经济时代和扩展人类脑力的里程碑;1969年世界上第一个采用存储转发的分组交换计算机网络ARPANET开通,为因特网的高速发展奠定了基础。这些激动人心的伟大发明虽已成为历史陈迹,值此世纪之始,我们还是有必要回顾昨天,总结历史,以便把握今天,展望明天。

  回顾历史,从35 000年~50 000年前语言的使用开启了信息技术的第一次革命,到第二的文字创造,再到大约在公元前3500年印刷的发明,古人凭借他们的智慧与劳动,叩开了一道又一道信息技术的大门,继而有了第四次信息革命——电报、电话、广播和电视的发明和普及应用。直到20世纪60年代,第五次信息革命电子计算机与通信技术的结合,形成了以数字化、计算机、通信技术为背景的现代信息技术,开启了人类全新的信息时代。

  微电子与计算机技术 

  计算机技术是20世纪最伟大的发明,对人类社会的发展有着极其深远的影响。在信息社会中,微电子技术是基础,计算机和通信设施是载体,软件技术是核心。微电子技术是在传统的电子技术基础上发展起来的高新技术。与传统电子技术相比,微电子技术不仅可以使电子设备和系统微型化,更重要的是它引起了电子设备和系统的设计、工艺、封装等方面得巨大变革。集成电路设计的出发点不再是单个元器件,而是整个系统或设备,像晶体管、电阻、连线等传统的元器件都是在硅基片内以整形式互相连接的。微电子技术的形成之初是电子管的发明,1904年,弗莱明研制出了真空二极管,首先用于无线电通信接收机,作为理想的检波元件,使接收灵敏度大幅提高。但是早期的二极管性能很不稳定,直到高真空电子管发明后,二极管才获得普遍应用。两年后,弗雷斯特制成了真空三极管,除了用于放大之外,还可以充当开关器件,速度比继电器快成千上万倍。20世纪30年代后期,一些学者企图将计算技术与电子管结合起来,但是终究没有成功,直到第二次世界大战期间晶体管的问世为电子计算机的出现提供了契机。晶体管具有体积小、重量轻、寿命长、耗电少等优点,面世后很快被用到电子领域中,逐步取代电子管,从而为电子设备的小型化打下了坚实的基础。1958年,杰克·基尔比发明了集成电路,并于1961年开始批量生产。尽管当时在一块锗晶片上只继承了包括五个晶体管在内的12个元件,但是这种将多个晶体管和电阻、电容元件集成在一块芯片内的新型器件,标志着半导体元件的制造工艺水平产生了飞跃。由此,微电子技术走上了突飞猛进的发展之路。根据摩尔定律,集成电路的集成度每18个月翻一番,仅在15年内集成电路的集成度就提高了万倍以上。如今,集成度已突破了几十亿,步入了据大规模集成电路之列。世界集成电路业的产值以大于13%的年增长率持续发展。进入了21世纪以后,全世界集成电路业的总产值超过了钢铁工业,人类已经进入了“硅器时代”。

  集成电路给计算机的发展带来了不可或缺的先进技术。电子计算机的功能决定了信息技术水平高低。现代信息技术的发展正是在计算机技术的发展下取得的,计算机是信息处理的主体,随着微电子技术的不断发展,使得计算机的面貌日新月异,用途越来越广,功能越来越全,效率也越来越高。各种档次计算机广泛应用于各个领域。总之,大规模应用计算机的浪潮,席卷了工业、科技、经济、军事、金融、文教乃至家庭生活。

  从第一台电子管计算机出现到现在,不过短短60年,无论是运算速度、处理能力、还是存储容量都发生了人们难以预料的巨大变化。仅从20世纪70年代微型计算机的出现到现在,其性能已提高数千倍,而价格降低了上万倍。它极大地提高了工作效率和经济效益,促进了生产力的发展,使人类生活发生了巨大的变化,这是其他任何现代技术都无法比拟的。第一代电子计算机ENIAC是在军事的迫切需求下诞生的,专门用于解决弹道计算的问题。ENIAC有8ft高,3ft宽,1000ft长,总重量30吨,占地面积为170平方米,简直就是庞然大物。计算机共使用了16种型号的1.8万支电子管、1500个继电器、近两万个电容、7万个电阻,耗电量为140千瓦。ENIAC每分钟可以进行5000次加法运算,比以前使用的齿轮机械式计算机和机电式计算机快了上万倍。它的问世深刻地影响着世界的政治、军事、经济格局,影响着人类的工作与生活方式。20世纪60年代开始,经历了第一代计算机的实用化发展后,电子计算机技术开始得到进一步的加速发展。1960年,随着晶体管计算机的大量生产,电子计算机进入了第二代。第二代计算机引入了快速磁芯存储器和磁鼓、磁带、磁盘外存储器等,从而全面提高了计算机的性能与可靠性。因此,除选用性能优异的晶体管逻辑元件外,第二代计算机在其他硬件方面也有很大进步。运算速度已从电子管的几千次每秒提高到晶体管的几十万次每秒以上,但重量、体积、功耗和售价却成倍减少。集成电路的出现取代了原先分立的晶体管,使计算机进入了第三代。第三代计算机最重要的特点是实现了“三化”——通用化、系列化、标准化。第三代计算机中还有一枝新秀——小型计算机。20世纪70年代初期,随着大规模集成电路的出现,电子计算机也随之进入第四代——大规模集成电路计算机。第四代电子计算机是巨型机的发展,巨型机具有强大的运算和数据处理能力,在核武器研制、导弹及航空航天飞行棋的设计、气象预报、卫星图像处理、经济预测等军事、经济与科技等领域起着十分重要的作用。第四代电子计算机发展的另一项巨大成就就是微处理器与个人计算机的出现,开辟了现代电子计算机技术发展的新时代。目前全世界正在使用的个人计算机达数十亿台,电子计算机已在世界范围内得到大规模普及。

  计算机未来的发展前景和多种科学领域的研究需要紧密结合在一起。智能及神经网络计算机是根据大脑的工作模型来设计研制的神经网络计算机,使计算机能像人一样分析,综合判断问题;模糊逻辑和多值处理计算机将实现用电子计算机判断模拟,更好地模仿人的思维活动——对不确定的、模糊的嬉戏的处理概括能力;平行处理计算机致力于让多个处理器同时协同工作,在提高速度的同时又不能使设备太昂贵;光子计算机能用光子的转换和传输来代替电子的转换和传播。因光子转换和传输时能量消耗较低,光子器件的带宽、传输和处理信息量极大,信息传输中即便、失真小,信息运算速度高所以比电子计算机有更加光明的前途。虽然目前光子数字计算机还处于初级阶段,但实用性商用光学列阵处理器和混合光/电计算机系统已相继问世。随着集成光路的发展,在21世纪,光子计算机将在各个领域获得广泛应用。生物计算机是以生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万计的晶体管制成的计算机。它的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子,并以此作为生物芯片。生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能,其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍,能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一,存储信息的空间仅占百亿亿分之一。目前,生物芯片仍处于研制阶段,但在生物元件,特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果。这将会促使计算机、电子工程和生物工程这三个学科的专家通力合作,加快研究开发生物芯片。此外还有化学计算机,量子计算机等。

  尽管集成电路给计算机的发展带来了不可或缺的先进技术,在社会的各个行业也起到了至关重要的作用。当前各种传统工业面临的中心任务是行业改造和技术更新,其关键之一就是引进微电子技术。例如,把微电子技术应用在普通机床上,可以将普通机床改造成为数控机床,数控机床的加工精度和加工效率将大幅度提高。纺织工业引入微电子技术后,其产品设计及试制速度就会明显加快,新型花色品种将层出不穷,产品质量大幅度提升。商业领域由于微电子技术及计算机的应用,使传统的账册发生了根本变化。账目的登录、统计、查询、存储都产生了质的飞跃。另外,把微电子技术和其他技术结合起来又产生了新的技术,促进了科学的进一步探索。例如,微电子技术和新型光纤材料结合产生了光纤通讯技术。它具有通信容量大、传输损耗小、抗电磁干扰性能好、保密性强、成本低、制造容易、寿命长等特点,因此得到了广泛的应用。再如,微电子技术与空间技术结合产生出了卫星通信技术。由于卫星通信视角广、视野大、距离远、很容易实现长距离洲际通信。

  微电子工业可以说是一个国家的战略工业,是技术密集型产业,又是投资密集型产业。微电子产业的发展规模和科技水平也是衡量一个国家综合实力的标志。专家预测,传统的微电子技术已经达到极限,然后在未来的10年内,集成电路技术仍可能按照摩尔定律增长。集成器件由单纯追求性价比正在转向追求功耗比的技术创新。另外,纳米技术正在重构集成电路产业体系。

  通信技术 

  通信技术的任务就是要高速度、高质量、及时准确、安全可靠地传递和交换各种形式的信息。大多数的通信是以电流或电磁波作为载体,这种通信被称作电信。现在光通信也得到了广泛的应用,由于光波也是一种电磁波,所以光通信也被列入电信之中。

  纵观通信的发展分为以下三个阶段:第一阶段是语言和文字通信阶段。在这一阶段,通信方式简单,内容单一。第二阶段是电通信阶段。1837年,莫尔斯发明电报机,并设计莫尔斯电报码。1876年,贝尔发明电话机。这样,利用电磁波不仅可以传输文字,还可以传输语音,由此大大加快了通信的发展进程。1895年,马可尼发明无线电设备,从而开创了无线电通信发展的道路。第三阶段是电子信息通信阶段。从总体上看,通信技术实际上就是通信系统和通信网的技术。通信系统是指点对点通所需的全部设施,而通信网是由许多通信系统组成的多点之间能相互通信的全部设施。而现代的主要通信技术有数字通信技术,程控交换技术,信息传输技术,通信网络技术,数据通信与数据网,ISDN与ATM技术,宽带IP技术,接入网与接入技术。

  现代通信技术的主要内容及发展方向,是以光纤通信为主体调卫星通信、无线电通信为辅助的宽带化、综合化(有的称数字化)、个人化、智能化的通信网络技术。

  移动通信技术已经经历了两代的发展,目前正向第三代过渡。第一代为模拟系统,已基本过时。第二代为数字系统,用户具有一定的全球移动性。目前移动通信用户数量的增加已大大超过固定电话新增的数量。第二代移动通信系统是以地区为单位开发的,彼此互不兼容,在实现全球联网漫游等方面给客户造成很多不便,因此,国际电联提出了第三代移动通信系统的方案:能提供宽带多媒体业务;能实现全球覆盖;全球漫游,接口开放,能与不同的网络互联,终端多样化;能从第二代平稳过渡等。

  卫星通信是一种容量大、距离远、使用灵活、性能可靠的通信工具,它受到的干扰也较小,通信质量稳定,无论是民用还是军用都有很大的发展前途。卫星通信系统有(1)同步卫星通信系统。自20世纪60年代中期开始发展,至今全世界已有200个国家总共建立了上百万个地面站。世界上全部电视转播业务和三分之二的跨洋电信业务由卫星系统承担。通信卫星还用于传送卫星云图,监测森林或草原的火情及洪涝灾害,测算受灾地区的面积等。(2)高倾斜度大椭圆轨道卫星通信系统。它弥补了同步卫星在高纬度地区有“盲点”的不足。但是寿命较短,设备磨损较大。(3)低轨道移动卫星通信系统

  光纤通信是一种自20世纪70年代快速发展起来的先进通信方式。它的优点非常多:通信容量大,传输损耗小,抗干扰,无串扰,保密性好,体积小,重量轻,成本低,寿命长等。它将有极为光明的前景,为用户提供接近无限的带宽。

  现代通信系统主要是朝着宽频带、大容量、远距离、多用户、高保密性、高效率、高可靠性、高灵活性的数字化、智能化、综合化的方向发展。具体而言:

  1)数字通信系统是一个必然趋势,尤其是大容量的数字微波中继通信系统将成为近年来干线通信系统的发展方向。

  2)卫星通信系统可以实现多址通信,它是最理想的通信手段。而数字卫星通信系统将是今后卫星通信系统的重要发展方向,其主要技术发展和应用方向有:①卫星电视直播成为卫星应用产业的支柱产业②卫星通信网与互联网和陆基电信网的相互融合正在扩展卫星通信的新领域。卫星互联网内容传送和宽带接入服务等数据传递业务成为推动市场繁荣的新动力,使卫星通信应用向综合化方向发展。③卫星数字音频广播是即将崛起的新兴产业。④卫星宽带数据接入将出现重大发展,政府和企业市场是主体。静止轨道Ka频段卫星将得到发展,Ku与Ka混合网络是近期成功的关键。⑤全球卫星移动通信目前正在恢复活力。

  3)光纤通信系统将用于未来的干线通信和多种有线通信。以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心,并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点,在未来的一段时间里,人们将继续研究和建设各种先进的光网络,并在验证有关新概念和新方案的同时,对下一代光传送网的关键技术进行更全面、更深入地研究。从技术发展趋势角度来看, WDM技术将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展。从应用角度看,光网络则朝着面向 IP互联网、能融入更多业务、能进行灵活的资源配置和生存性更强的方向发展,尤其是为了与近期需求相适应,光通信技术在基本实现了超高速、长距离、大容量的传送功能的基础上,将朝着智能化的传送功能发展。

  4)数字移动通信系统的主要发展方向为:

  ①移动网增加数据业务:1xEV-DO、HSDPA(CDMA2000标准系列中专门提供高速分组数据业务的无线标准通信技术)等技术的出现使移动网的数据速率逐渐增加,在原来的移动网上叠加,覆盖可以连续;另外,WiMAX(全球微波接入互操作)的出现加速了新的3G增强型技术的发展②固定数据业务增加移动性:WLAN等技术的出现使数据速率提高,固网的覆盖范围逐渐扩大,移动性逐渐增加;移动通信、宽带业务和WiFi(Wireless Fidelity,无线保真)的成功,促成802.16/WiMAX等多种宽带无线接入技术的诞生。

  5)为了实现多点对多点之间的网络通信,以数据传输为主的计算机通信网,将成为通信自动化的一种重要手段。从而使基于这一重要手段的综合-业务数字网成为今后新型综合通信系统的重要发展方向。

  6)无线电频谱资源。一种抗干扰能力极强的扩频通信系统,能充分利用有限的无线电频谱资源,是军用战术通信的最主要手段,在民用通信中亦有发展前途。

  7)分组无线网。与扩频通信系统同等重要的,为实时和窄带的数据无线提供迅速而可靠的通信手段,非常适于军事指挥,工业控制及生产调度的一种最新型的通信方式。

  8)在上述通信系统或通信方式的基础上,正在迅速崛起,可以真正实现在任何时间、任何空间、任何地点、任何对象以任何方式进行信息交换的个人通信系统,也是现代通信系统的重要发展方向。

  参考文献: 

  《现代通信的发展动态》      甘良才 武汉大学电子信息学院

  《现代通信的未来发展趋势》  曾丽斌  百度文库

  http://baike.baidu.com/view/1585314.htm 现代信息技术

  http://baike.baidu.com/view/3226.htm 信息技术

  http://www.ca800.com/trader/auto/news_detail.asp?id=7375 美国信息技术现状与研究开发热点

  http://wenku.baidu.com/view/24628717866fb84ae45c8d12.html?from=rec&pos=0&weight=9&lastweight=5&count=5 中国信息科学技术发展现状及未来趋势

  http://wenku.baidu.com/view/fd5dec84b9d528ea81c77913.html?from=rec&pos=1&weight=8&lastweight=5&count=5 中国信息科学技术发展现状及未来趋势

  http://mb.zol.com.cn/195/1959527.html 揭秘英特尔未来的三大战略

  http://wenku.baidu.com/view/82548b65f5335a8102d2207b.html信息技术的发展动向

  http://www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_communications/2001/6/magazine/200311/t20031126_149931.htm   信息通信技术的发展趋势



 
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