信息技术新发展及其应用综述 信息技术新发展及其应用 陆以勤（华南理工大学电子与信息学院、教授） 本专题从七个方面介绍信息技术的新发展及其应用，第一个是微电子与光电子，第二个是现代通信技术，第三个是遥感技术，第四是智能技术，第五是高性能计算机与网络，第六是消费类电子技术，第七是信息安全技术。 一、微电子与光电子 在讲这个之前，我想请教一下各位老师，到目前为止，唯一一个在同一个领域都取得诺贝尔奖的一个科学家，能不能说出来？不是爱因斯坦，爱因斯坦只拿过一次诺贝尔物理奖；也不是居里夫人，居里夫人是在化学和物理，不是同一个领域，她拿了两次诺贝尔奖。这个科学家叫巴丁，他是晶体管的发明人，因为他和肖克莱、布拉顿三个人一起发明了晶体管，1946年他们开展了这个研究，1947年观察到了晶体管，1956年获得诺贝尔奖，1972年因为他和另外两个科学家发明了超导，所以第二次拿到了诺贝尔物理奖。他曾经开玩笑说他每次都得了三分之一，得了两次才拿到三分之二，他还必须和另外两个科学家再合作一次，再拿一次，才能拿到整个诺贝尔奖。 我们言归正传，微电子学是什么？它是电子学的分支，它主要是研究半导体材料上构成的微小型化电路的技术，包括我们刚才说的半导体器件，集成电路设计，集成电路的工艺和测试等。在信息社会，我们要求高集成度、低功耗、高性能、高可靠性的电子产品，那如何研究出这种器件就是微电子学研究的内容。我们以一个它的发展线路来看一下，我刚才谈到巴丁和另外两个科学家，一个是肖克莱，他提出了著名的PN结理论，另外一个科学家叫布拉顿，他们三个于1946年1月在贝尔实验室成立了半导体研究小组，经过差不多两年，他们观察到了具有放大作用的晶体管，1956年获得诺贝尔奖。晶体管是分离电路，还不能满足我们体积小、低功耗的要求，能满足这个要求的就是集成电路。从晶体管发展到集成电路已经有50年了，1952年英国科学家G.W.A. Dummer第一次提出了集成电路的设想，1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研究出世界上第一块集成电路，2000年获得诺贝尔奖。集成电路发展了五十年，它的集成度越来越高，我们有一个著名的摩尔定律，摩尔（Gordon Moore）是Intel公司的创始人，他提出这个定律的时候是1965年，那时候他还不是在Intel，而是在仙童半导体公司做实验室主任，他为电子学杂志35周年专刊写了一篇报告，题目是“让集成电路填满更多的元件”。摩尔定律说的是芯片上的晶片上的晶体管数量每隔两年，就是24个月翻一番，到现在摩尔定律还在起作用。 我们前面说的是微电子技术，下面我们就再说一下光电子技术，为什么把微电子技术和光电子技术放在一起谈？光电看起来好像不相干，是两个独立的学科，实际上他们是有密 切关系的。我们举几个例子，首先是1860年麦克斯韦提出的光的电磁波理论，因为光是一个电磁波，它有波粒二象性；第二就是爱因斯坦提出用量子论解释光电效应；第三回合是1960年激光的发明，所以说光电往往是在一起。光和电紧密在一起，但它们又各有特色，电磁波容易受到干扰，而光的频率非常高不易受到干扰，所以它是中性的。最近光电子技术发展也非常快，确切的说，光电子技术应该称为信息光电子技术，从激光问世之后它就已经诞生了。刚开始的时候是用于激光测距，很少量地应用，到了70年代，由于室温下连续工作的半导体激光器和光纤得到了应用，光电子技术就迅速发展起来了。光电子科学主要是涉及光子的产生、传输、控制和探测，它的产生和控制是激光技术和相关的应用技术；它的光子的传输就是光纤，目前世界上敷设的光纤总长超过1000万公里；如果是检测，那就是光子探测和光谱分析；如果是做信息处理，那么就是一个新的学科，叫光神经网络，有望出现新的光计算机，激光雷达、光制导、光陀螺；如果是用它来存储，那就是光盘；如果用它来显示，就是我们的打印机、复印机、大屏幕显示等；如果是光子间的互相作用，还可以用来做光子生物技术、光子加工技术等。我们国家对光电子也非常重视，它的发展方向我们可以列出一些，比如光纤光缆、光电器件、光电材料、光传输和光通信的设备、激光器、工业激光设备，还有用于生物医学的仪器、光电检测仪器、光机电一体化的设备、光存储（比如光盘）、光显示（比如LCD、LED）、光的输入输出（比如图像的处理）、光源等。 二、现代通信技术 通信是一个发展比较快的学科，包括的东西很多，我们打算从几个方向谈一下。第一个是我们怎么看一个通信系统，这必须要有一个它的框架，第一个框架是从它的分层来看，我们可以把通信系统分成接入层、承载层、控制层、业务层。接入层就是所谓的接入技术，譬如我们的移动接入、无线接入，还有一些无线个域网的近距离无线接入技术，比如蓝牙、海外、ZigBee等；承载层就是我们的传输网、数据网，还有比如微波、卫星等，它是负责把数据进行传输的；再上面是控制层，譬如程控交换机、软交换、移动交换；还有业务层，业务层就是我们的一些业务系统在上面的，譬如语音留言、短信、视频点播、手机游戏、彩铃、即时通信等。从这个维度我们可以粗略地把它区分一下：接入层主要是一些光纤组成的环，即SDH，SDH全称Synchronous Digital Hierarchy同步数据体系，可以把它想象成是一个同步的时分复用系统，时分复用就是不同的时间传不同信道的数据，只要它足够快，所以说它可以传很多信道，这个叫复用。PTN，采用的是分组，它就不再是同步复用，就是用光传输的一个分组传送，叫Packet Transport Network，它是在我们的网络层和光介质之间做的一个层面，用来分组传送，也就是说把它分成一段一段地来传，这个主要是针对流量突然间很多来做的，它是另外一种复用方式，叫统计复用方式。接入层的下面挂了很多，比如是移动网络的无线侧可以接到这里，程控交换机可以接到这里，还有一些有线接入，比如DSL、各种PON，还有数据网可以挂在这里，中间承载的那部分把所有的接入往前汇聚的时候，会形成一个汇聚层，汇聚层也就是ASON，即Automatically Switched Optical Network 自动交换光网络，这个网络就不再是一个环形，而是一个网状形，比较大的好处就是可控性 比较强，ASON上面也可以挂一些东西，譬如我们固网的NGN，核心网可以挂在这里，移动的核心网也可以挂在这里，所有的承载通过ASON连起来，还可以有一个更底层的网络，我们叫核心网，核心网现在通常可以采用OTN技术，叫光传输网，即Optical Transport Network，OTN是下一代的骨干网，用的是波分技术为基础。 如果我们从另外两个维度来看通信技术，那么我们可以把通信技术看成窄带的和宽带的，窄带的像ZigBee、近场通信、蓝牙，还有ISDN的，稍微高一点的是以太网的，以前比较古老的以太网，再高一点的就是快速以太网、WiFi，如果是无线的还有UWB超宽带、超宽带无线通信、ATM，还有我们刚才说的SDH。还有一个维度就是它的传输距离，这个传输距离我们又通常称之为局域网，如果能覆盖到一个城市的网络就叫城域网，如果更长的叫广域网，而更小的，譬如说缩到一个家庭里面的网络，这个有时叫家庭网络，也可以称之为个域网，Personal LAN，个域网目前的主流是无线的。 刚才我们大概讲了它的组成，下面我们挑几个专业通信系统来看一下。电话网，现在普通的电话网已经是个IT网了，包括程控交换网，分成端局、汇接局、长途局，在06年广东省对它做了比较大的更改，把汇聚层以上的做成一个IP网，在端局这里做一个网关，也就是说我们打电话只要超出了端局，就一定是一个IP电话；还有一个控制系统，叫软交换，专门负责它的连接，另外它如果要做一些业务，一般要有一个服务器，这个服务器叫Application Server。譬如说在中山要打一个电话到惠州，它出了端局，就进了IP承载网，就是一个计算机网络，然后到这一边，这个软交换起作用，它能知道想打哪个电话，所以它和这边的软交换去沟通，然后这边的软交换再和这边的终端沟通，沟通好了之后他们之间就可以通话了。前面的网络是普通的程控交换网，那么这个网络就是我们所谓的下一代网络，叫NGN，Next Generation Network。 前面我们看了有线的语音通信，下面我们还可以看一下无线网络，其实所谓无线只是接入部分是无线的，就是我们的手机到基站这一段是无线的，基站出来有个基站控制器的设备，到了基站控制器就已经是有线的了。如果打电话，出了基站控制器，就进入了移动交换机，就进了电话网，这一部分这个有线侧我们叫CS域，Circuit Switched，这个叫语音通信网。如果是手机上网，和打电话走的又是不一样的，它走的是数据网络，在PS域（Packet Switched），那么这两个有一个叫GGSN，有一个叫SGSN，先进SGSN，进了IP网，再走到GGSN，就到这个互联网了。 三、遥感技术 遥就是遥远的意思，感就是感知，遥感技术泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测，这是广义的遥感。狭义的遥感是指应用探测仪器,不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。 遥感技术的基本原理：地球上的物体都在不停地发射、反射和吸收电磁波，并且不同物体的电磁波特征是不同的，人们根据电磁波的差异来辨析物体的不同，遥感技术就是在这个原理的基础上发展起来的。 遥感的工作原理是这样的：一般是有信息获取，就是我们的目标把电磁波发射或者反射过去，另外有一个传感器，这个传感器可能距离很远，接收到这个信息，然后就把这个信息送回来，我们在遥感的中心收到这个信息，然后做信号处理，再进行分析、显示、应用等。 遥感类型：（1）按运载工具分为航天遥感、航空遥感、近地遥感；（2）按辐射源分为主动式遥感和被动式遥感；（3）按传感器的探测波段可分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感和多谱段遥感；（4）按应用领域分为环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感和林业遥感。 遥感技术的应用比较广泛，可以应用在资源普查，譬如矿产、水资源、土地资源的普查；灾害的监测，譬如防止泥石流，防止地震，监测地震波；环境监测，譬如海洋环境的监测，沙漠化，全球气候变化的影响等等；还有一些用在工程上面的，譬如我们进行一些规划，建设，港口、核电站等的探测；还有另外用在军事、交通、渔业上面等。 下面介绍下现在说的3S技术，那么是哪三个S呢？第一个是Remote sensing，就是遥感，遥感技术；第二个S是GIS，就是Geography information systems，地理信息系统，它实际上就是一个地图的管理系统，以及在地图之上的一些信息，用的比较多的就是Google 地图，Google地图可以做一些商业用途等；还有一个是GPS，Global positioning systems，全球定位系统，这个我们就非常熟了，它是通过卫星测量物体与卫星之间的距离来推算出这个物体在什么地方。这三个结合在一起就称之为3S技术，它是空间技术、传感技术、卫星定位技术等的结合。 四、智能技术 智能，狭义的来说是指人工智能，指用计算机模拟或实现的智能，即如何使机器（计算机）具有智能的科学和技术，特别是自然智能如何在计算机上实现或再现的科学和技术。因此，从学科角度讲，当前的人工智能是计算机科学的一个分支。广义的则指智能化应用，如智能家居、智能建筑、医院智能化、智慧校园等。 今天我们先简单地把它集中在人工智能方面，因为广义来说，它也要用到狭义里面所研究的技术，那么我们为什么要做智能化？它的目标是什么？如果是短期的目标，我们