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[转帖]新一代信息技术的发展趋势

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发表于 2015-6-12 14:26:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

集成电路制造已进入“后摩尔”时代;计算机系统开始进入“云计算”时代;无线通信正在从3G(3rd generation,即第三代移动通信)走向4G(4th generation,即第四代移动通信)时代;软件行业已进入端到端设计(也有人称之为跨界垂直整合)时代。

从传统电子信息产业到新一代信息技术产业是产业的“代际变迁”。IDC公司(全球著名的咨询公司)把新一代信息技术产业称为“第三平台”。该公司认为,1985年以前普遍采用的大型主机是第一代IT(information technology,即信息技术)平台;1985-2005年流行的是以个人计算机、互联网和服务器为主的第二代IT架构(computers as networks);从2005年开始,以云计算、移动互联网、大数据、社交网络为特征的新一代IT架构(被称为第三代IT平台, computers as datacenters)正在蓬勃发展之中。2013年全球IT支出约37万亿美元。IDC公司预测,至2020年,第三代IT平台的市场规模将达到53万亿美元。2013-2020年,IT部门90%的增长将由第三平台驱动。

信息技术产业的发展趋势是从制造业为主转向软件和服务业;从inside到outside(从重视产品到重视生态环境);从scaleup(纵向扩展)到scale out(横向扩展);从关注设备、软件到更关注数据;从赛博空间(cyberspace)到人机物三元融合世界。新一代信息产业的热点不是以加工为主的制造业,而是以制造业为基础的自主设计的软件和服务业,即构建新的端到端设计的产业生态环境。信息产业发展的基本模式面临重大转折:软件和应用创新取代器件设备的技术进步,已成为主导整个IT产业未来发展的核心力量。

新一代信息产业的主要特点是,以围绕云计算和移动互联网的新产品为基础,通过丰富的服务,为客户创造新的价值。如果说过去20年信息产业的重点是生产和销售计算机、通信和电视设备,信息化的主要工作是推进数字化,那么未来的新一代信息技术产业的重点是网络化和智能化,将更加关注数据和信息内容本身,从制造加工回归到“信息”产业本来的轨道。

新一代信息技术产业不仅重视信息技术本身的创新进步和商业模式的创新,而且强调信息技术渗透融合到社会和经济发展的各个行业,推动其他行业的技术进步和产业发展,新一代信息技术产业发展的过程,实际上也是信息技术融入社会经济发展各个领域创造新价值的过程。近年来蓬勃兴起的产业互联网是过去20年消费互联网的升级,各行各业都将演变成互联网产业。

未来10年全球信息技术发展总体趋势

全球电子信息科学技术将进入一个转折期,可能出现重大的技术变革,主要的征兆为:集成电路技术正在步入“后摩尔时代”(Post Moore’s Law Era)。集成电路技术与产业在继续沿着“延续摩尔定律”(More Moore)前行,获得更高片上集成度的同时,也沿着“拓展摩尔定律”(More Than Moore)发展,将多样化的器件通过封装进行集成,并通过两者的结合,将人类和自然环境产生的信息进行数字化处理,以产生更高效、更廉价、更节能的解决方案。未来几年,新型信息功能材料、器件和工艺将不断涌现,推动集成电路技术和产业的持续进步。计算机逐步进入“后PC(personal computer,即个人计算机)时代”,“Wintel”(微软+Intel)平台独霸天下的格局正在瓦解,多开放平台正在形成,新型终端已步入百姓生活;互联网进入“后IP(Internet protocol,即互联网络协议)时代”已成为不可避免的发展趋势,发展新一代互联网技术,突破TCP/IP(transmission control protocol/Internet protocol,即传输控制协议/互联网络协议)协议的局限是网络科学家努力的方向;物联网、云计算等技术的兴起促使信息技术渗透方式、处理方法和应用模式发生变革;大数据(big data)成为科学家和企业关注的焦点,正在改变科研方式和产业模式;网络与信息安全成为不可回避的重大技术和政治问题;人脑智能机理的发掘与智能信息科技的发展进一步促进对人类智能的深刻认识。与以往相比,当代信息科技创新更加活跃,信息技术的“云—网—端”领域的创新技术层出不穷。

未来5-10年的信息领域科技发展表现出一些新趋势和新特点,值得我们关注。一是人机物三元融合将促进信息服务进入普惠计算(computing for the masses,或ePeople)时代;二是数据密集型研究成为继实验科学、理论分析和计算机模拟之后的科研第四范式;三是移动通信正在向“移动宽带”演化,移动互联网、物联网、云计算将成为未来发展的主题;四是得益于脑与认知科学的发展,人工智能技术重新兴起,类脑计算机、类人机器人、脑机接口、人脑仿真技术发展迅速。

变革性的信息功能器件是新一代信息产业的基础

信息系统的性能、功耗、成本和可靠性很大程度上取决于所采用的器件。只有基础器件不断取得突破,才能逾越信息技术发展所面对的可扩展墙、功耗墙和可靠性墙等障碍。

目前,集成电路的主流技术——互补型金属氧化物半导体(complementary mental oxide semiconductor,CMOS)晶体管的特征尺寸为65-22纳米。据《国际半导体技术发展路线图》(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)预测,到2024年,晶体管的最小线宽将达到7纳米左右。全球产业界普遍认为,22纳米是一个关键技术节点。从22纳米开始,集成电路的基本器件结构和材料都将会出现巨大变革,但哪种技术会最终成为主导,国际上还正在积极探索之中。Intel公司在这一领域的进步最快,目前已掌握了3D晶体管技术,并用于22纳米工艺,其他企业还在努力追赶之中。

2007年的ITRS正式将以系统级封装(System in Package,SiP)为代表的功能多样化道路列为半导体技术的新发展方向,被称为“拓展摩尔定律”道路。其核心思想是将数字和非数字集成电路、硅和非硅材料与器件、CMOS和非CMOS电路以及传感器、执行器等集成在一个封装内,实现传统的系统芯片(System on Chip,SoC)无法实现的复杂功能。显然,集成异质器件和电路的SiP技术,面向新型存储和逻辑器件、互联、封装的新材料,超低功耗设计、可制造性设计、成品率设计、可靠性设计和可恢复性器件设计等技术将成为集成电路发展的热点。

石墨烯是一种新型半导体材料。理论上,采用石墨烯制备的晶体管应比硅基晶体管的功耗更低、运行速度更快,有望做出性能更优良的半导体器件。英国曼彻斯特大学两位科学家海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯,2010年就获得诺贝尔物理学奖(集成电路发明后42年才获得诺贝尔奖)。2011年4月7日,IBM宣布研制成功主频155吉赫兹的石墨烯晶体管。石墨烯的出现有望将半导体从硅时代引向碳时代。但目前石墨烯的研究主要不是做集成电路,开发过程中的功耗和污染等问题也有待解决。也有学者认为,石墨烯成为主流半导体材料还需要很长的时间,CMOS甚至可以维持到2050年。

在通信领域,光子集成器件将取代传统分立元器件,将多个光模块集成在一个光子集成芯片中,有望解决现有光通信器件中速度、稳定性等诸多问题,同时能耗可以降为原来的1/10。短距离有线通信将依赖于光子集成技术的发展,USB(universal serial bus,即通用串行总线)、DSI(display serial interface,即显示串行接口)、DisplayPort、HDMI(high definition multimedia interface,即高清晰度多媒体接口)等将被光传输线取代。硅光子技术可将电子芯片和光子纳米器件集成在一块基片上,提高电子芯片之间信息传输速率同时有效改善电互联能耗限制,使计算机芯片之间通过光脉冲(而不是电子信号)进行通信,突破了芯片之间不能很快传输大量数据这一瓶颈。通过嵌入处理器芯片的光通信,建立艾次级(1018)超级计算机的愿景将在不远的未来变成现实。由于最新技术将芯片的集成密度提高了10倍,使用这种技术制造出的单芯片交换服务器大小仅为0.5平方毫米,只有目前产品的十分之一,成为未来研制功能强大的艾次超级计算机的新期望。HP公司最新研究显示,这一技术在2017-2019年将成为计算领域不可或缺的技术。

半导体存储器诞生30多年来,为信息技术进步做出了不可替代的贡献,形成了数百亿美元的庞大市场,我国存储器市场也达到1800亿元人民币。到今天为止,尚未出现能够替代半导体存储器的技术,且在未来可以预见的很长一段时间内,也不太会出现能够替代半导体存储器的其他存储器。

近年来,各种新型非挥发性存储器(NVM)得到了迅速发展,如铁电存储器(FRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PCRAM)和阻变存储器(ReRAM)。其中PCRAM、ReRAM及3D Nand Flash的研发尤为活跃。新型存储器的突破将为未来5-10年研制更高能效的计算机和类似人类大脑信息处理方式的模拟计算机铺平道路。因此,持续支持并加强新型存储器的研究对我国新一代信息产业的发展意义重大。

普惠计算引领人机物三元融合世界的范式变革

未来30年,信息技术的长远发展方向是普惠计算。普惠计算需要让计算进入广大民众生产生活的业务价值层面,这意味着计算需要从赛博空间进入人机物三元世界,综合利用人类社会(人)、信息空间(机)、物理世界(物)的资源,通过云计算、物联网、移动通信、光子信息等技术支撑,协作进行个性化大数据计算。这是21世纪信息领域基本性的范式变革。在面向三元世界的计算中,计算过程不再局限于使用计算机与网络的硬件、软件和服务,而是综合利用物理世界、赛博空间、人类社会的资源,通过人机物融合协作完成任务。

人机物融合与普惠计算已经出现一些科研、技术和应用实例,如个人作坊利用信息系统和增材制造技术设计制造物理产品等。我国正在开展的“智慧城市”建设也体现了人机物三元融合的趋势。未来10年内,人机物三元融合将使得信息科技沉浸式地渗透到实体经济和社会服务活动中。传统计算机科学将演变为人机物三元计算信息科学,传统信息技术将升级为“端—网—云”信息网络技术,出现新的硬件、软件、应用模式、协议和标准。

大数据已成为信息科技关注的重点

实验发现、理论分析和计算机模拟是科学研究的三种范式。过去几十年,科学家们已经用计算机处理大量数据并进行模拟仿真。近几年,数字信息从各种各样的传感器、测试仪器、模拟实验室、文化娱乐企业和个人使用的数字终端中源源不断地涌出。超过传统数据库系统处理能力的海量数据(称为大数据)隐含着巨大的价值,已成为科技界和企业界高度重视的资源。在各行各业的大数据中,最值得研究的是规模呈指数级增长的网络数据,特别是传感数据和赛博空间数据。

当今世界结构化数据年增长率约为32%,而非结构化数据年增长率是63%。大数据的技术挑战主要是指非结构化数据。数据无处不在,但许多数据是重复的或者没有价值的,未来的任务主要不是获取越来越多的数据,而是数据的去冗分类、去粗取精,从数据中挖掘知识。几百年来,科学研究一直在做“从薄到厚”的事情,把“小数据”变成“大数据”,现在要做的事情是“从厚到薄”,要把大数据变成小数据。

2012年3月29日,美国政府启动大数据研究和发展计划(Big Data Research and Development Initiative),6个部门拨款2亿美元,争取增加100倍的分析能力从各种语言的文本中抽取信息。这是一个标志性事件,说明继集成电路和互联网之后,大数据已成为信息科技关注的重点。

大数据不仅是未来科学研究的一大特点,也是许多行业技术进步和企业发展的重要趋势。采用大数据处理方法,生物制药、新材料研制生产的流程会发生革命性的变化,可以通过数据处理能力极高的计算机并行处理,同时进行大批量的仿真比较和筛选,大大提高科研和生产效率。数据已成为矿物和化学元素一样的原始材料,未来可能形成数据“探矿”、数据“化学”等新学科和新工艺模式。大数据处理的兴起也将改变云计算的发展方向,云计算正在进入以AaaS(Analytics as a Service,即分析即服务)为主要标志的Cloud 2.0时代。

现有的数据中心技术很难满足大数据的需求,需要考虑对整个IT架构进行革命性的重构。存储能力的增长远远赶不上数据的增长,设计最合理的分层存储架构已成为信息系统的关键。数据的移动已成为信息系统最大的开销,信息系统需要从数据围着处理器转改变为处理能力围着数据转。提高可扩展性成为信息系统最本质的需求,并发执行(同时执行的线程)的规模要从现在的千万量级提高到10亿级以上。


消息来源:科学网


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 楼主| 发表于 2015-6-12 14:26:22 | 显示全部楼层
新一代网络和通信技术是21世纪的关键技术

互 联网的发展已遇到本质性的困难,在IP协议的基础上修修补补已解决不了互联网的可扩展性、安全可控和质量保证等问题。新型互联网体系结构研究已成为各国关 注的焦点,美国、欧洲、日本等发达国家和地区都在研究发展“后IP网络”的系统结构和关键技术。近年来,软件定义网络(softwaredefined networking,SDN)成为未来网络的研究热点。我国正在筹备建设未来网络的大规模实验基础设施,为构建未来网络提供实验平台。

光 网络的技术革新将从基础性环节推动信息产业的革新,进而大幅提高社会效率,推动经济发展。光网技术的关键创新与突破包括光子集成技术、全光互联技术、全光 网技术、新一代光通信系统与网络、面向宽带接入需求的新型光网技术等。在WDM(wavelength division multiplexing,即波分复用)技术之后,以较低的成本满足下一个10年内100倍网络容量的增长,低功耗、超高速、大容量是光通信发展的必然选 择。2013年8月,国务院已发布“宽带中国”战略实施方案,部署了未来8年宽带发展目标及路径。光网在宽带网络基础设施建设中的地位举足轻重,其技术及 产业发展引起了广泛关注,所面临的各种问题亟须得到解决。

在 过去的14年中,无线通信吞吐量每30个月翻一番。1957-2010年,无线通信的吞吐量增加100万倍,其中1600倍是由小区覆盖变小,通过频谱复 用带来的,25倍是由更大带宽带来的,只有5倍是由物理层技术进步、提升频谱效率带来的。移动通信正在向“移动宽带”演化。未来移动宽带网络需要攻克的一 大技术挑战是能耗问题。业界已出现Green Touch产学研联盟,其工作目标就是将当前通信网络的能耗降低1000倍。

在 量子密码通信技术方面,我国已经跻身国际前列。量子通信的光纤量子密码技术在未来5年内有望获得国家机要部门的实际应用;空间量子密码技术仍处于探索和演 示阶段;基于量子纠缠的量子通信和量子网络由于纠缠脆弱性而难以获得实际应用,仍然处于基础或应用基础研究阶段。未来5-10年,量子模拟有望取得重要突 破,当前的关键问题是研制具有相当规模的量子比特实验平台(如30个比特)以及研制可实用的固态量子存储器等关键器件。普适量子计算机是量子信息领域中最 核心、影响最深刻的研究课题。未来5-10年量子计算机的研制可望取得重要突破,为实用量子计算机的研制成功打下扎实基础。量子芯片、量子编程、量子测量 以及量子芯片微纳结构材料等相关研究的开展将成为各国的战略必争点。

增材制造等智能制造技术将引发制造业的重大变革

2012 年4月21日,英国《经济学人》杂志发表长篇封面文章:《第三次工业革命》《经济学人》封面文章《第三次工业革命》与本书下文引用的杰里米·里夫金的同名 新书的侧重点有所不同,前者强调增材制造,后者强调分布式可再生能源与互联网的结合,但两者的共同点都是实现能源、制造、营销和物流的民主化,社会向分散 和合作方向发展。增材制造可能将引起制造业的重大变革,引发社会化制造,但称其为“第三次工业革命”可能有点夸张。文章指出,日趋融合的许多非凡的科技成 果,如增材制造、智能软件、新材料、更加灵巧的机器人等,促使制造业面临一场数字化革命。制造业的数字化进程不仅会改变传统的产品制造模式,还将改变生产 组织模式。过去的工厂以快速大量制造相同产品为理念,但随着生产少量多批次产品的成本日益下降,未来的工厂将会把精力放在处理大规模的消费者定制品的订单 上面。

美 国总统奥巴马在2012年3月9日提出发展美国振兴制造业计划,向美国国会提出“制造创新国家网络” (National Network of Manufacturing Innovation,NNMI),拟以10亿美元联邦政府资金支持15个制造技术创新中心,每一个中心专注于发展一个能够引领世界制造业发展新方向的最 先进的制造新技术。

增 材制造有广阔的发展前景,但也存在巨大的挑战。目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了实现技术。现有的增材制造方法中,多采用激光束或电子束在材料 上逐点形成增材单元进行材料累加制造。未来发展方向之一是控制更细小的激光光斑或光固化成形的平面投影技术,实现高精度和高效率制造,从现在的0.1毫米 级向0.01~0.001毫米发展,使制造精度达到微/纳米级。另一个发展方向是发展多加工单元的集成技术,实现大尺寸零件的高效制造。复合材料和梯度材 料零件也是迫切需要发展的产品。未来将发展多材料的增材制造,包括金属与陶瓷的复合、细胞与生物材料的复合等,为实现宏观结构与微观组织一体化制造提供新 的技术,从结构自由成形向结构与性能可控成形方向发展。

未 来5-10年,以泛在感知技术、人机交互技术、人工智能技术与先进制造技术的融合应用为支撑,通过增强机器对制造环境与自身状态的感知能力、增强机器设备 对人的指令及行为的理解能力,实现生产制造过程中人和机器间的能力互补,对产品和环境变化的快速应变,将形成大幅度提高生产效率的智能制造模式。长期以 来,我国将信息电子产品制造业和信息服务业作为高技术产业,已给予较多的关注。现在看来,信息技术对传统制造业升级改造的推动应引起国家更多的重视,应从 “第三次工业革命”或“工业4.0”的高度看待信息化和工业化的深度融合。

智能技术将进入开花结果阶段

人 工智能技术已经研究了50多年,这个曾多次未能实现预期目标的领域最近又重新兴盛起来。引起人工智能复兴的重要原因是互联网应用的普及、大数据提供的前所 未有的丰富资源和概率性程序技术的采用。智能技术开始进入开花结果阶段,未来5-10年,人工智能技术的发展和应用将进入又一个春天。

2011 年2月14日,IBM的超级电脑“沃森”参加美国王牌问答节目《危险边缘》并赢得比赛。《危险边缘》是美国最流行的知识问答节目之一,题目涵盖了时事、历 史、艺术、流行文化、哲学、体育、科学、生活常识等,而且节奏极快。IBM将“认知计算”作为今后的重要发展方向,探索和开发“沃森”计算系统在医疗保健 等行业的先进分析能力,并实现商业化。

信 息科学技术的根本性突破可能要取决于脑科学的进展,一旦脑科学取得大的突破,必将引起信息技术的一场革命性变革。脑科学和神经科技是近20年内发展最快的 学科之一,脑功能成像技术的进步大大加深了对人脑这个最复杂系统的了解。神经科学和信息学的合作和相互渗透,导致采用一种新的研究模式,即实验数据→数学 理论→计算机模拟和预测→生物学实验验证→数学模型与验证后的理论,加快了脑的研究进程。未来5-10年,脑机接口(braincomputer interface)和神经工程(neural engineering)将成为科研的热点领域。

能源互联网

美 国著名未来学家杰里米·里夫金在其新著《第三次工业革命》中提出了能源互联网的新概念。里夫金认为,由于化石能源的不可持续性,第二次工业革命正走向终 结,未来能源体系的特征是能源生产民主化、能源分配分享互联网化,并把新能源和互联网之间结合产生的“能源互联网”视为即将到来的第三次工业革命的标志。

德 国率先认识到“能源互联网”的重要性,2008年就推出了“EEnergy”计划,提出打造新型能源网络,在整个能源供应体系中实现综合数字化互联以及 计算器控制和监测。2011年6月13日,美国白宫宣布实施一系列新的计划以加速国家电力基础设施的现代化支撑与能源互联网紧密相关的电网创新项目。

能 源互联网涉及的关键技术有分布式储能、固态变压器、安全故障隔离、分布式电网智能和安全可靠通信五大使能技术,以及系统理论、信息科学、先进电力半导体和 先进储能四大基础理论。能源互联网技术体系可以划分为五大部分,即综合与规划技术体系、能源技术体系、信息通信技术体系、管理调度技术体系和安全防护技术 体系。需要注意的是,能源互联网与信息互联网既有相似之处,但也存在显著差异,因此在能源互联网的发展中,既要借鉴信息互联网的成功经验,也要充分考虑自 身的独特性。


消息来源:科学网
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