欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们|旧版回顾
浅谈电子信息技术的发展趋势

作者:段宝岩   来源:科学中国人  发布时间:2015-9-16

导读:   段宝岩,中国工程院院士、西安电子科技大学原校长、教授。电子机械工程专家。长期致力于交叉学科—电子装备机电耦合理论、方法与技术研究,开辟了电子装备机电耦合研究的新领域。系统地建立了典型电子装备电磁场、结构位移场、温度场之间的场耦合理论模型,揭示了机械结构因素对电性能的影响机理,提出了基于场耦合理论和影响机理的机电耦合设计方法。成果应用于探月、神舟飞船、主力战舰及大射电望远镜等国家重大工程中。发表被SCI/EI检索论文180余篇,著书5部,授权发明专利30余项。获国家科技进步二等奖3项,2012年获香港何梁何利科技进步奖。兼中国电子机械工程分会主任,973项目首席科学家,全国天线产业联盟主席等职务。曾获全国五一劳动奖章、全国先进工作者、全国师德先进个人、全国留学回国人员成就奖、全国优秀科技工作者等称号。

   电子信息技术通常指的是研究信息获取、处理、传输、存储、显示等功能,以及电子装备与信息系统的设计、开发、应用和集成等技术的一门学科。作为出现于近现代的一项关键技术,电子信息技术极大地改变了人类生活与社会发展。进入当代,电子信息技术更成为发展最迅猛、渗透力最强的一门科学技术,已经成为评判一个国家综合国力和发展水平的关键准则之一。

一. 科技革命的历程

   在不同时期,推动人类社会进步、影响人们对世界看法的力量各不相同。中世纪主要依靠宗教的力量,启蒙时代则依靠人类理性的觉醒,19、20世纪主要是民族主义,而推动当今社会发展的力量主要是科学技术的进步。
(1)三次科技革命
   回顾电子信息技术的发展历史,需要从科技革命说起。从科学技术及其与生产力发展、科技与社会发展的相互关系来看,人类社会迄今共经历了三次科技革命,与此对应三次工业革命。
   第一次科技革命可以从16世纪哥白尼发表《天体运行论》说起,之后伽利略、开普勒、牛顿,胡克、惠更斯、法拉第、麦克斯韦,笛卡尔、莱布尼茨,伏特、卡洛、迈尔、赫姆霍兹,道尔顿、阿伏伽德罗、门捷列夫,林奈、施莱登、施旺、达尔文等科学家,分别在天文学、电学、数学、热学、化学、生物学等不同领域,贡献出了自己杰出的智慧。正是依赖于这些新的世界观和方法论,最终开创了以机器代替手工劳动的工业社会时代,促进并形成了煤炭、冶金、机器制造、交通运输等现代化工业部门的兴起与发展,推动了人类社会的第一次工业革命。这一次科技革命,把人类从手工劳动中解放出来,使人类在不到一百年的时间里,创造了比之前几千年还要多的物质财富。
   第二次科技革命起始于1821年迈克尔·法拉第发明电动机,随后莫斯、诺贝尔、格罗姆、贝尔、爱迪生、卡尔·奔驰、莱特兄弟等伟大的科学家与工程师们,为人类揭示了微观粒子、宏观宇宙以及生命本质等现象。这一时期的科学革命,其技术基础主要是电磁力学理论及其电力技术,主要标志是电力和内燃机得到广泛应用,最终结果是把人类从工业社会带入了电气化时代,形成了以重工业、新兴工业和化学工业为主导的新的工业体系,相继出现了汽车、化工、新型冶炼等一系列工业部门。此次科学技术革命,又一次推动了社会生产力的巨大发展,在以后的一百年中,全世界的工业总产值增长了20倍。
   第三次科技革命则应从20世纪40年代第一台计算机的问世说起。这之后,原子能技术、人造卫星技术、互联网技术、GPS定位系统等新兴技术的出现,使人类一下子从电气化时代迈入了数字化信息时代,人类社会的劳动生产方式提高到自动化、现代化水平,人脑得到极大解放。尤其是随着微电子技术、光纤、生物工程、新材料、新能源、空间技术、海洋技术等新技术群的产生与发展,人类社会最终进入了一个全新的,以电子技术为主要内容的信息化时代。
   回顾人类社会的三次科技革命,它们分别以机械化、电气化和信息化为主要标志。其中,前两次科技革命主要是材料、能源方面的革命,在生产过程中消耗掉了大量的不可再生性能源和资源,而第三次科技工业则是一次信息的革命,它凭借知识和信息的力量,减少了能源和物质的消耗,并生产出符合人类需要的各种材料。今天,我们正在迎来以智能化为标志的第四次科技革命。
(2)德国“工业4.0”和“中国制造2025”战略
   德国是一个传统的制造业强国,拥有高效率的创新体系,但在信息化浪潮下却面临着巨大挑战。一方面,由于美国等发达国家的“再工业化”带来的刺激,德国制造优势越来越不显著;另一方面,以中国为首的新兴国家的崛起,一定程度上威胁到了德国在国际制造业市场上的地位。
   就是在这样的背景下,2013年,德国正式发布实施了“工业4.0”战略。所谓“工业4.0”,即是以智能制造为主导的第四次科技革命,该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统——信息物理系统(Cyber-Physical System)相结合的手段,将制造业向智能化转型。可以说,工业4.0的提出,并不完全是德国制造业领先的体现,也是被竞争对手逼出来的应对计划。
   “工业4.0”主要有三大主题:一是“智能工厂”,重点研究智能化生产系统及过程,以及网络化分布式生产设施的实现;二是“智能生产”,主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等;三是“智能物流”,主要通过互联网、物联网,整合物流资源,充分发挥现有物流资源供应方的效率,而需求方则能够快速获得服务匹配,得到物流支持。
   同年,我国启动了制造强国战略重大咨询项目,提出了“中国制造2025”战略。“中国制造2025”是中国版的“工业4.0”。当前,全世界国家制造业发展的现状是:美国处于第一方阵,德、日位于第二方阵,中、英、法、韩等在第三方阵。“中国制造2025”坚持创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本的发展方针,确定了我国制造业的奋斗目标:2025年左右进入第二方阵,迈入制造业强国行列;2035年进入第二方阵前列,成为名符其实的制造强国;2050年左右力争进入第一方阵,成为具有全球引领的制造强国。

二. 电子技术的发展

   电子技术是20世纪发展最迅速,应用最广泛的一个学科,代表性技术包括微电子技术、超级计算机、网络终端、移动网络、3D打印、机器人技术等,它是近代科学技术发展的一个重要标志。近几十年来,伴随着万维网、数字电视、移动互联网、云计算,以及3G、4G乃至5G通信等技术的相继出现,电子技术又进入了一个新的发展时期,正朝着后摩尔时代、云计算时代、物联网时代迈进。
   考虑到电子信息技术涉及的面很宽,很难在这一篇幅有限的文章中全面论述。因此,下面主要就微电子、超级计算机、网络终端、移动网络、3D打印、机器人与天线装备等几个方面加以讨论。不妥之处,敬请指正。
(1)微电子技术
   自1947年第一个晶体管问世以来,建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的微电子技术对现代人类生活的影响极大。在微电子技术领域,有两个著名的定律:一是摩尔定律,指的是微处理器的处理能力大约每18个月会翻一番;二是贝尔定律,即在计算能力不变的情况下,微处理器的价格和体积每18个月会减少一半。这两个定律不是自然规律,但却推动着微电子技术不断向前发展。统计数据显示,1982年以来,计算机中的CPU性能已经提高了10000倍,内存价格下降了45000倍,硬盘价格下降了360万倍。
   可以说,微电子技术的发展,反映了人们对技术持续创新的期望。直到今天,微电子技术依然处于高速发展状态:每2年微处理器的频率就会加倍;集成电路每18~24个月密度/速度就会加倍。与世界上微电子技术领域发展相比,我国仍存于追赶阶段,水平亟待加强。比如在芯片工艺上,英特尔公司已开始7-5nm的研究,韩国三星由20nm向15nm进军,台湾的台积电20nm芯片实现量产,而我们的“中国芯”40nm尚未量产。
   微电子技术的快速发展,给很多领域都带来了巨大而深刻的影响。如在军事领域,一旦下一代射频系统得到广泛应用,由于其具有的小型、智能化特点,可以大大提升军事装备性能,满足其在作战时对任务灵活性、响应时间等方面提出的苛刻要求。
   未来,微电子技术将朝着芯片微型化、计算芯片化和语言数学化方向发展。此外,由于微观尺度的量子技术、宏观尺度的外太空探测等的实际需求,以及纳米芯片、自旋电子等的发明和发现,SOC、SIP、SOP等封装技术将成为微电子技术发展主流。
   SOC即片上系统,它将所有必要的电子电路和某一系统的部分放入一块集成电路,这一始于20世纪90年代中期的技术,被广泛应用于各类嵌入式消费电子产品中,被称为“支撑网络时代和网络系统的关键器件”。
   SIP即系统封装,指的是在一个封装中组合多种IC芯片和多种电子元器件,以实现与SOC同等的多种功能,它能够兼容不同制造技术的IC芯片和无源元件,是一种多芯片堆叠的3D封装内系统集成技术,具有空间占用小、省走线、焊点少、带宽宽、电性能稳定等特点。
   SOP即封装级系统,从传统的分立组件互连,转变为利用多层薄膜元件和封装技术,将微波与射频前端、数字与模拟处理电路、存储器、光器件与微米级薄膜形式的分立元件等多个功能模块集成在一个封装内,是一种二次集成技术。该技术提出了一个新定律:随着组件尺寸缩小,电路板几乎消失,组件密度每1年会翻一番,SOP具有的系统功能以同样幅度增长,在系统微型化方面的效果将远胜于摩尔定律。
(2)超级计算机
   超级计算机是一个国家科技水平、经济实力、军事威力的象征,目前世界上拥有设计制造超级计算机的国家,主要包括美、日、俄、英、法和中国。
   1997年,英特尔设计制造了第一台万亿(10G)次超级计算机(ASCI Red),该计算机占地2000平方英尺,使用了1万颗奔腾Pro处理器,运行时耗电500千瓦。2002-2004年,日本NEC公司的地球模拟器(earth simulator)连续获世界TOP500的第一。2002年,DAPAR提出高效能的概念,不仅要提高计算机的性能,还要关注实用性,全寿命周期,这是第三代巨型机的概念。2007年,IBM研发出的超级计算机系统蓝色基因(Blue Gene/P),性能为1000TF,相当于堆起来高1.5英里的笔记本电脑总和,Blue Gene/P是标志着超级计算机计算能力的一个重要里程碑。
当前,我国巨型机发展处于国际先进行列,银河、曙光、天河等三大系列不断冲击国际领先水平。1983年的银河系列,是中国第一台巨型计算机,每秒钟能运算200G次,标志着中国进入了世界研制巨型计算机的行列。2008年的曙光系列,杀入TOP500的前10位,总计30720个核,122.88TB内存,峰值速度达每秒8万亿次。2010年的天河一号A,TOP500排名第一,总计186368个核,224TB内存,峰值速度每秒4.7千万亿次,其中包含2048颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核处理器。2013年天河二号继续保持TOP500排名第一,总计2120000个核,1.4PB内存,峰值速度每秒5.49亿亿次。
   未来,超级计算机将继续在天气预报、基因分析、核工业、军事、航天等高科技领域发挥重要作用,并逐渐与大数据、云计算等新技术领域深度融合,而液冷技术、可视化技术、高密度产品将逐渐成为热点。
(3)网络终端
   2012年3月,苹果时任首席执行官(CEO)库克在new iPad和Apple TV发布会上给“后PC”设备的定义:“在当今世界,个人电脑已经不是人们数字世界的核心,而仅仅是一款通往数字世界的设备。人们最常使用的设备应该更为便携、更为个性化,并且要比PC更易于使用。”
   网络终端指的是专用于网络计算环境下的终端设备,与PC相比,它通过网络获取资源,没有硬盘、软驱、光驱等存储设备,应用软件和数据也都存放在服务器上。以智能手机为代表的网络终端,是“后PC”时代典型的电子设备。目前,中国手机网民规模已有5.57亿,网民中利用手机上网人群比例高达85.8%,手机端即时通信使用率为91.2%。
   一项针对智能手机性能的调查显示,从处理器速度、标准RAM、储存能力、显示分辨率、外形尺寸和价格上看,当前智能手机的能力相当于8年前的PC的水平。越来越多的人开始使用智能手机浏览网页、欣赏音乐、收发邮件,智能手机已经成为PC时代的主角。
   网络终端还包括大量智能可穿戴设备,它们已经被广泛应用于医疗、运动、娱乐等行业领域,相关应用越来越丰富,市场规模将进一步扩大。据HIS公司预计,全球可穿戴设备市场在2018年将达300亿美元,而国际数据公司(IDC)预计2018年全球智能可穿戴设备出货量将达到1.119亿部,年复合增长率达到78.4%。
(4)移动网络
   移动通信网络基本上以每10年一个技术更替为单位向前发展着。从20世纪80年代以来,移动通信网络经历了AMPS为代表的1G网络,GSM为代表的2G网络,CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA为代表的3G网络,以及TD-LTE和FDD-LTE为代表的4G网络,目前正朝着5G技术发展。
自2013年12月4日工业和信息化部颁发4G牌照以来,4G网络能力快速形成,新业务不断推出,产业链不断加强,截止目前,我国4G网络基本完成了300多个城市的覆盖,4G基站建设超过50万个。2015年2月15日,中国移动宣布,4G用户数量超过1亿。当前,正处在4G网络走向普及的关键时期。
   移动网络技术的未来发展趋势,主要集中在5G网络上。与4G网络相比,5G网络传输速度快10~100倍,网络时延从50ms缩短到1ms,能够满足1000亿量级的网络连接。目前,中国华为、韩国三星,以及日本、欧盟等国家的通信企业,都把目光聚焦到了5G网络,投入大量资金研发5G技术。
   5G网络涉及的关键技术,包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。其中,大规模天线阵列是提升系统频谱效率的最重要技术手段之一,对满足5G系统容量和速率需求将起到重要的支撑作用;超密集组网通过增加基站部署密度,可实现百倍量级的容量提升,是满足5G千倍容量增长需求的最主要手段之一;新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力,可有效支撑5G网络千亿设备连接需求;全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源,可有效缓解5G网络对频谱资源的巨大需求;新型网络架构基于SDN、NFV和云计算等先进技术可实现以用户为中心的更灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。
(5)3D打印
   3D打印,也称增材制造,是通过CAD设计数据,采用材料逐层累加的方法,来制造实体零件的技术。相对于传统的材料去除(切削加工)技术,3D打印是一种“自下而上”材料累加的制造方法。目前,比较成熟的3D打印技术已经有十几种,包括立体光固化成型法、选择性激光烧结、熔积成型、叠层法、三维打印等。
   今天,3D打印技术已经被广泛应用到消费电子产品、机动车、飞行器、医疗口腔医学、工业商用机器、学术研究、政府军事、建筑等相关领域。比如英国南安普顿大学制造的SULSA无人驾驶飞机,除电力马达外,机身其他部件几乎都由3D绘画技术设计制造而成,翼展约为1.98米,最高时速可达160公里,且滑翔时几乎无噪音。
   回顾3D打印的历史,还可以继续往前追溯。1979年,美国用3D打印制造出了飞机涡轮盘;1985年,在美国国防部主导下,他们开始秘密研究金属材料3D打印技术,主要是钛合金激光成形技术,1992年将其公之于众;2002年,美国航空航天局(NASA)研制出3D打印机制造金属零件;同年,美国将激光成形钛合金零件装上了战机;2012年7月,美国太空网透露,美国航空航天局在测试新一代3D打印机,他们希望把这种打印机送到火星上。此外,欧洲航天局(ESA)2013年也宣布,他们将利用3D打印技术在月球上建立首个人类基地,实现就地取材,打印成建筑,这一基地有望在40年内投入使用。
   当前,全世界都在关注3D打印技术,但核心技术全部掌握在发达国家手中,仅从打印设备的数量来看,目前排在前三位的是美国、日本和德国。未来,3D打印技术将持续得到发展,并朝着4D、5D方向迈进。所谓4D打印,即在3D打印过程中采用智能材料,被打印物体可以随着环境的变化而在形态上发生改变,而5D打印指的是细胞打印,医学上需要的活体、器官,可以通过打印的方式,通过生长因子、干细胞的繁殖变成活体器官。
(6)机器人
   机器人是电子技术发展的一个重要方向,它是“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。当前,人类社会正在从以“自我控制、自我管理”为特点的IT时代(Information Technology),进入以“别人为中心、服务大众、激发生产力”为特征的DT时代(Data Technology),并将朝着“从万物互联扩展到万物思考”的RT时代(Robot technology)迈进。
   机器人技术的未来发展主要包括两个方向:一类是仿生机器人,这类机器人的设计思路来源于自然界的启发和灵感,通过对生物结构、内在机制的模仿创新来形成新方法和新技术,以适应复杂作业需求和极端工作环境,其系统设计与控制是关键,典型的例子包括仿生机器鱼、打乒乓球机器人等。另一类是类人机器人,这类机器人将人脑模拟系统、电子神经网络,类脑计算技术与具有类人动作的机器人平台深度无缝融合,已具有人体外观(包括肢体和肌肉组织等)和动作的机器人平台为载体,实践、应用视觉、听觉、思维和运动多通道的信息处理与协同,实现全新的类人神经计算与控制。
(7)天线装备
   天线是无线电设备中用来发射或接收电磁波的设备,也可以把它理解为一种变换器,它把传输线上传播的导行波变换成自由空间中传播的电磁波,或者进行相反的变换。天线一般都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线。
   一个典型的天线系统就是反射面天线,其典型应用包括雷达的测控、警戒、搜索、预警、跟踪,星间和民用卫星通信,射电天文以及无线能量传输等。反射面天线传统的应用就不多说了,重点谈谈无线能量传输这个新的发展方向。
   应用反射面天线进行无限能量传输这一技术一旦突破,可以通过建立空间太阳能电站,最终为解决人类能源危机问题带来曙光,同时也可以为深空探测器、空间站、卫星等提供持久能量。在军事领域,还可以制造具有攻击速度快、转换无时间、代价低、威慑大的高功率微波武器。
   例如,如当使用能量密度为10-100W/cm2的强微波波束照射目标时,其辐射形成的电磁场可以在金属的表面产生感应电流,通过天线、导线、电缆和各种开口或缝隙耦合到卫星、导弹、飞机、舰艇、坦克等武器系统的电子设备电路当中,破坏各种敏感元件,使电路功能紊乱、产生误码、中断数据或中断信息传输,抹掉计算机存储的信息。如果感应电流很大,则装备外壳开口与缝隙处可以被电离,从而变成良导体,烧毁电路中的元器件,使电子装备和武器系统失效,整个通信网络失控。
   除了反射面天线外,天线还可以分为阵列天线、微电子机械天线、光子带隙天线、超导天线和等离子天线等不同的类型,它们各具特点,被用在特定的领域。比如等离子体天线就是指使用被电离的气体作为电磁能量传导介质的天线,它通过控制等离子体的形态和强度等参数可以对天线带宽、频率、增益和方向性等特性进行动态的重构。与传统的天线相比,等离子体天线其效率将更高、重量更轻、体积更小、尺寸更短、带宽更宽。

三. 结束语

   当前,电子信息技术正在以前所未有的速度发展,并深刻地影响着我们的生活。无论是在国防建设、民用工业、高新技术等领域,还是在日常生活的方方面面,电子信息技术都被看作是核心的技术,也是世界各国技术竞争的关键。未来,电子信息技术在系统构成上将朝着复杂高精度的方向发展,在应用层面将会不断突破更加极端的工作环境,并有望在未来出现和诞生更多变革式的新兴技术,推动人类社会不断向前发展。


分享到:
资讯