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光电子学：新世纪的高技术基础---兼谈光通信的前世、今生于未来周骏宁波大学2013-03-15•第一部分近代科技发展史回顾•第二部分现代科学技术的发展•第三部分科技进步推动经济变革•第四部分光通信的前世、今生与未来内容提要第一部分近代科技发展史回顾一、科学的苏醒，经典科学和机械的时代（16世纪——18世纪）1543年，哥白尼“天体演化论”——太阳中心说，科学和神学的决裂；1687年，牛顿“自然哲学与数学原理”，奠定经典力学的基础；1750年，蒸汽机、纺织机械发明。1795年，蒸汽火车出现在欧洲大陆。——工业革命,动力革命,规模生产和铁路使市场形成。二、近代科学和电的时代（19世纪）1831年，法拉第“电磁感应”奠定了机械能转化为电能的基础；1840年，焦耳“能量守恒定律”；1864年，马克斯韦尔“电磁光统一数学模型”建立；1859年，达尔文“物种起源”——进化论;1865年，孟德尔“遗传理论”——遗传单元学说。——规模生产，工业资本扩张，自动化和效率化管理的萌芽。三、现代科学和原子能时代（20世纪上半叶）1895年，贝克内尔发现放射性；1898年，居里及居里夫人发现镭，制备和应用；1900年，普朗克提出量子论；1900年，德符里斯提出“细胞核/染色体/DNA”体系；1905年，爱因斯坦“质量和能量的转化关系”，相对论力学，十年后提出“广义相对论”；1944年，原子弹试验成功；1948年，维那、香农“信息论、控制论、系统论”。——核武器、核发电，信息科学和自动化理论和应用，成熟工业化。四、当代科学和电子和信息技术奠基时代（20世纪下半叶）1946年，电子管计算机ENIAC诞生，数字技术出现；1948年，BellLab发明了二极管;1953年，沃森、克里克提出DNA分子双螺旋结构；1958年，第一块集成电路出现；1978年，微计算机8086出现；1990年，人类基因组计划启动；1995年，Internet开通。———信息技术50年漫长的助跑，进入高增长，高技术兴起，知识经济和经济全球化初见端倪。世界人均GDP的爬坡康德拉捷也夫—曼德林（1920）“长周期理论”——经济长波周期：振兴、繁荣、衰退、萧条大约50—55年一个周期机理：——科学发现、技术发明（原始创新）——新技术体系、技术群成批出现——产业换代、经济向上——技术稳定、潜力渐尽——经济增长乏力、资本寻求新的机遇数字化与生物技术？电子信息电力铁路机械17701830188019301990罗默（1986）技术收益递增型增长模型企业收益=f(企业物质资本，企业劳动，社会平均知识水平，特定企业生产某产品的专业知识)新的现象：研究和开发产生垄断利润，克服了资本边界效应递减；技术引进推动资本积累；人才资本是经济增长的内生变量。f是什么？管理——企业资源和环境优化调度。展望新世纪的科学前景，高新技术为代表的当代科技推动经济发生着巨大的变革，构成第一生产力中最活跃的因素，带动着知识产业的形成。生产力高速发展也使人们面临资源、环境、生态方面越来越大的矛盾，知识经济作为一种新的经济形态在解决这个矛盾方面给我们带来了新的希望。第二部分现代科学技术的发展生物、信息、材料、航天……一.生命科学和生物技术生物技术被认为是21世纪技术的突破点。1900年，德符里斯提出了“细胞核/染色体/DNA”的学说；1953年，沃森（遗传学家）、克里克（物理学家），提出生理过程的化学规律，DNA“双螺旋结构”;1990年，“人类基因组”计划启动；1997年，Clone克隆技术。生物技术的最大突破是人们已经有手段对生物的遗传基因进行破译。破译的结果是基因结构的全顺序，是人类认识生物的基本“字典”。代表作——“人类基因组计划”•人体细胞中有31.746亿组分子密码组成的碱基对，有3.5—4万组遗传基因；•包含生命的全部空间结构信息和与生命过程相关控制信息；•其复制过程保证生物遗传、稳定和生命时钟进程；•对进化保守区和活跃区的研究，可以认识生命系统的多态性，揭示人类繁衍的历史和体系结构；•现代人20万年前发端非洲，13万年前走向世界各大陆。DNADNA复制个体的生长，群体的繁衍，都是依赖这个最原始的过程。2000年6月26日“人类基因组计划”成员国美、英、法、德、日、中宣布人类基因组草图；2001年2月12日公布基因图谱及分析结果。测序完成以后，2003年前将完成：碱基对如何组成基因；每个基因的位置、结构、功能；DNA（密码）——RNA（信使?）——蛋白组学。“后基因组计划”：药物基因组学；环境基因组学；基因组信息学。意义•通过对人类基因组的研究，发现人类5000种疾病是显性遗传疾病，单基因遗传病1500种。•发现基因缺陷，进行健康基因导入和缺陷修复，生物工程方法研制新药，是未来医药学突破口。•中国的大家庭优势、隔离区优势、多民族优势是重要的遗传信息资源，也是需要保护的重要经济技术资源。•中国1%，生命信息权益。反向思维：医学伦理问题，对物种多样化的破坏，转基因食物安全，DNA中的危险因素。——基因工程向深度和广度前进•我国科学家完成了对水稻基因破译。解释水稻所有的特征和多态性。•对基因复制的原理进行研究，优势基因筛选、评价、裁剪。•新物种的培育，产生优质、高产、抗病、抗碱、抗寒的农作物。•异种基因导入，抗虫棉，含人的凝血因子、血液蛋白的转基因羊——活的制药厂。高等生命产生的新形式——Clone克隆多代克隆，异种受体克隆相继成功。克隆熊猫问世？Clone技术有巨大的科学价值，在未来市场上的价值上更是空前的。•科学意义：生命过程，生命演化，遗传的稳定性、多态性和遗传突变。•经济意义：植物细胞培养技术，动物胚胎和细胞培养技术，优势种质资源保存和扩大，大规模工业化生产方式推动农业的产业化。•特殊社会价值：干细胞技术（StemCell），用于人体器官移植的人工器官克隆（肌肉、皮肤、心肌?…），濒危动物的恢复性培育。——生命科学技术走向本世纪的辉煌•2008年1月17日，英国人工授精与胚胎学管理局正式批准两个研究小组各获得为期一年的研究许可，从现在起进行人兽混合胚胎培育工作。•管理局强调，研究小组培育的人兽胚胎只能用于研究，不可用于临床治疗或植入人体，胚胎只能维持在初期水平，发育时间不得超过两周。•伦敦大学国王学院的研究小组培育混合胚胎，用于已知的因遗传因素导致的疾病如老年痴呆症、脊椎肌萎缩、帕金森氏症等多种疑难疾病的病理研究；纽卡斯尔大学的研究小组希望用这种人兽混合胚胎培育技术，进一步了解干细胞在体内如何发展成各种组织英国正式批准人兽混合胚胎研究Chimera（客迈拉）：人兽杂交Chimera是希腊神话中一只有狮头、羊身和蛇尾的吐火怪兽，是百头怪兽提丰(父亲)和厄喀德那(母亲)杂交的后代。•科学家已经成功把人类基因克隆到细菌和动物身上。•2003年，上海第二医科大学将人类皮肤细胞与兔子卵细胞融合，培植出人类胚胎干细胞。该研究胚胎被体视为首例制造出来的人兽杂交“客迈拉”。•2004年，美国明尼苏达州马约医学中心将人类干细胞移入猪的胚胎，制造出流着人血的“客迈拉猪”。•2005年，美国内华达大学将人类干细胞移入绵羊胚胎，制造出“客迈拉羊”。“羊”的肝脏中约80%的细胞是人类干细胞。二、电子信息技术——计算机技术1944年冯.诺依曼提出程序存储和顺序计算的概念；1946年第一台电子计算机ENIAC诞生；1948年BellLab发明了二极管；1954年年第一台晶体管计算机诞生；1958年仙童公司诺宜斯发明了第一块集成电路IC；1968年摩尔、诺宜斯和管理能手格罗夫创立Intel公司，Intel成为现代计算机的主流。时间机型集成度(线宽—微米)典型速度1971年40040.2万门0.1Mips1978年80862.9万门1Mips1982年28613万门1.51985年38627.5万门31989年486110万门101993年586Pentium300万门(.35)1001996年Pentium(II)500万门(.25)4501999年3月Pentium(III)2800万元件(.18)8502000年6月Pentium(IV)4200万元件(.13)22002002年4月Itanium(II)2.2亿元件(.18)25002003年*月Itanium(III)5.0亿元件(.13)?AMDAthlon-xp用户任务程序存储顺序计算用户结果冯•诺依曼机在Wintel架构的实现高端计算平台Highendcomputing或者Networkedhighendcomputing——每秒1000亿次以上计算机系统，目前国际上共500多台。意义：国防、核爆模拟、动态系统工程、基因破译、药物设计、大规模网络主机。核心技术问题：大规模并行结构；并行操作系统。目前最好的高端计算机ASCIBlueMountain其峰值速度为3.072万亿次（12.3万亿次——2000）中国曙光3000为4032亿次——1/32的功能可支持每天7000万个电子邮件，1/16的功能支持80亿次网络访问访问，用1.5小时完成月天气预报。曙光3000：共有280个接点处理机、通信处理机、输入、输出处理机。可用于计算、网络、信息、清算、结算、交换中心。完成大型分析、模拟、图象、事务处理。世界有能力制造仅有6个国家，世界80名。国家7个高性能计算中心的主机。2002年8月29日，联想深腾180为1.027万亿次，526个Xeon处理机，世界24位(前23位均美、日)。油田模拟、材料、气象领域。——通信技术1837年莫尔斯发明电报；1876年贝尔发明电话,通信的企业巨人诞生；1948年维纳、香农提出信息论、控制论、系统论，出现了宽频带大容量时分、频分概念，微波多路通信成为50年代主体通信技术；1965年微波卫星通信；80年代后期集成电路出现，微波数字通信成为通讯形式的主流。频率也是资源，光通讯崛起！由于激光技术和激光器件的发展,光导纤维材料的进步，光通信以其高于电磁波10000倍的频率带来：大容量带宽、低成本、抗干扰成为通信介质的主流。1.3微米的低色散窗和1.55微米的低损耗窗成为通信的主要窗口。中美海底直通光缆设9个信号校正点，4对光缆通信容量80Gb，可传送400万路电话。光通信已成为信息社会支撑技术。光缆除了通讯，还用于网络、医学，化学分析、测量等领域。系统结构：计算机集群系统局域网（Intranet）广域网（Internet）多媒体综合信息网核心技术：UNIX(Linux)WindowsTCP/IP标准，速度、效率综合布线技术C/S、B/S、服务平台技术——计算机网络计算机和通信技术的结合。1968年建立了ARPAnet;1969年9月第一台路由器制成，实现了计算机网互连;1995年4月，ARPAnet完成向Internet转化。信息技术进入新的时代。1995年4月，是人类进入知识经济时代的标志。新一代计算机网络Internet正如日中天，但Internet有标准、无规划，是自生长网络，能迅速蔓延生长，网上阻塞、安全、扩充、迂回、资源浪费问题日趋严重。影响长远生命。未来网络的特点？(技术&应用)•网络协调控制技术，流量控制、优化路径控制；•网络安全技术，新方法结构，加密新理论和算法；•大规模网络结构的智能化——自组织系统、智能群体的合作；•光交换IP宽带网，海量传输、海量信息库；•网格系统Grid——海量数据节点、超级计算节点，资源管理和任务调度，可视资源共享应用(织女星网格)。·未来大规模知识网络，知识表达、存储和更新、知识过程的可视化、在线翻译、多平台应用；·网上商业经营是主角:B2B(BusinesstoBusiness)、B2C(BusinesstoCustomer)；·实时点播电视、国际会议、数字图书馆、网上虚拟现实，将成为生活的一部分。•网络发展趋势：信息获取——双向互动交易——知识共享和网上服务。•网络在中国：网上经营型——中国网络生命力的门槛。社会生产代谢的新机遇。地理中心——信息中心——信息技术的后台：微电子技术1958年第一次将四个