新一代信息技术的发展趋势

新一代信息技术的发展趋势新一代信息技术产业新一代信息技术产业的本质内涵是“新一代”，必须明白“新一代”究竟“新”在哪里。信息领域的各个分支——集成电路、计算机、通信、软件等都在进行代际转移。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（3rdgeneration，即第三代移动通信）走向4G（4thgeneration，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（全球着名的咨询公司）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（informationtechnology，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(computersasnetworks)；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,computersasdatacenters）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scaleup（纵向扩展）到scaleout（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”（PostMoore’sLawEra）。集成电路技术与产业在继续沿着“延续摩尔定律”（MoreMoore）前行，获得更高片上集成度的同时，也沿着“拓展摩尔定律”（MoreThanMoore）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（personalcomputer，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（Internetprotocol，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（transmissioncontrolprotocol/Internetprotocol，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（bigdata）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（computingforthemasses，或ePeople）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。1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（complementarymentaloxidesemiconductor，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》（TheInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors，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（SysteminPackage，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（SystemonChip，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（universalserialbus，即通用串行总线）、DSI（displayserialinterface，即显示串行接口）、DisplayPort、HDMI（highdefinitionmultimediainterface，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（nonvolatilememory，NVM）得到了迅速发展，如铁电存储器（ferroelectricrandomaccessmemory，FRAM）、磁存储器（magneticrandomaccessmemory,MRAM）、相变存储器（phasechangerandomaccessmemory，PCRAM）和阻变存储器（resistiverandomaccessmemory,ReRAM）。其中PCRAM、ReRAM及3DNandFlash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。2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。3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（BigDataResearchandDevelopmentInitiative），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