淺談電子信息技術的發展趨勢

段寶巖

電子信息技術通常指的是研究信息獲取、處理、傳輸、存儲、顯示等功能，以及電子裝備與信息系統的設計、開發、應用和集成等技術的一門學科。作為出現于近現代的一項關鍵技術，電子信息技術極大地改變了人類生活與社會發展。進入當代，電子信息技術更成為發展最迅猛、滲透力最強的一門科學技術，已經成為評判一個國家綜合國力和發展水平的關鍵準則之一。

一.科技革命的歷程

在不同時期，推動人類社會進步、影響人們對世界看法的力量各不相同。中世紀主要依靠宗教的力量，啟蒙時代則依靠人類理性的覺醒，19、20世紀主要是民族主義，而推動當今社會發展的力量主要是科學技術的進步。

（1）三次科技革命

回顧電子信息技術的發展歷史，需要從科技革命說起。從科學技術及其與生產力發展、科技與社會發展的相互關系來看，人類社會迄今共經歷了三次科技革命，與此對應三次工業革命。

第一次科技革命可以從16世紀哥白尼發表《天體運行論》說起，之后伽利略、開普勒、牛頓，胡克、惠更斯、法拉第、麥克斯韋，笛卡爾、萊布尼茨，伏特、卡洛、邁爾、赫姆霍茲，道爾頓、阿伏伽德羅、門捷列夫，林奈、施萊登、施旺、達爾文等科學家，分別在天文學、電學、數學、熱學、化學、生物學等不同領域，貢獻出了自己杰出的智慧。正是依賴于這些新的世界觀和方法論，最終開創了以機器代替手工勞動的工業社會時代，促進并形成了煤炭、冶金、機器制造、交通運輸等現代化工業部門的興起與發展，推動了人類社會的第一次工業革命。這一次科技革命，把人類從手工勞動中解放出來，使人類在不到一百年的時間里，創造了比之前幾千年還要多的物質財富。

第二次科技革命起始于1821年邁克爾·法拉第發明電動機，隨后莫斯、諾貝爾、格羅姆、貝爾、愛迪生、卡爾·奔馳、萊特兄弟等偉大的科學家與工程師們，為人類揭示了微觀粒子、宏觀宇宙以及生命本質等現象。這一時期的科學革命，其技術基礎主要是電磁力學理論及其電力技術，主要標志是電力和內燃機得到廣泛應用，最終結果是把人類從工業社會帶入了電氣化時代，形成了以重工業、新興工業和化學工業為主導的新的工業體系，相繼出現了汽車、化工、新型冶煉等一系列工業部門。此次科學技術革命，又一次推動了社會生產力的巨大發展，在以后的一百年中，全世界的工業總產值增長了20倍。

開普勒（左）、牛頓（中）、哥白尼（右）。

第三次科技革命則應從20世紀40年代第一臺計算機的問世說起。這之后，原子能技術、人造衛星技術、互聯網技術、GPS定位系統等新興技術的出現，使人類一下子從電氣化時代邁入了數字化信息時代，人類社會的勞動生產方式提高到自動化、現代化水平，人腦得到極大解放。尤其是隨著微電子技術、光纖、生物工程、新材料、新能源、空間技術、海洋技術等新技術群的產生與發展，人類社會最終進入了一個全新的，以電子技術為主要內容的信息化時代。

回顧人類社會的三次科技革命，它們分別以機械化、電氣化和信息化為主要標志。其中，前兩次科技革命主要是材料、能源方面的革命，在生產過程中消耗掉了大量的不可再生性能源和資源，而第三次科技工業則是一次信息的革命，它憑借知識和信息的力量，減少了能源和物質的消耗，并生產出符合人類需要的各種材料。今天，我們正在迎來以智能化為標志的第四次科技革命。

（2）德國“工業4.0”和“中國制造2025”戰略

德國是一個傳統的制造業強國，擁有高效率的創新體系，但在信息化浪潮下卻面臨著巨大挑戰。一方面，由于美國等發達國家的“再工業化”帶來的刺激，德國制造優勢越來越不顯著；另一方面，以中國為首的新興國家的崛起，一定程度上威脅到了德國在國際制造業市場上的地位。

就是在這樣的背景下，2013年，德國正式發布實施了“工業4.0”戰略。所謂“工業4.0”，即是以智能制造為主導的第四次科技革命，該戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統——信息物理系統（Cyber-Physical System）相結合的手段，將制造業向智能化轉型。可以說，工業4.0的提出，并不完全是德國制造業領先的體現，也是被競爭對手逼出來的應對計劃。

2013年，德國正式發布實施了“工業4.0”戰略。

“工業4.0”主要有三大主題：一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；二是“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等；三是“智能物流”，主要通過互聯網、物聯網，整合物流資源，充分發揮現有物流資源供應方的效率，而需求方則能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持。

同年，我國啟動了制造強國戰略重大咨詢項目，提出了“中國制造2025”戰略。“中國制造2025”是中國版的“工業4.0”。當前，全世界國家制造業發展的現狀是：美國處于第一方陣，德、日位于第二方陣，中、英、法、韓等在第三方陣。“中國制造2025”堅持創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本的發展方針，確定了我國制造業的奮斗目標：2025年左右進入第二方陣，邁入制造業強國行列；2035年進入第二方陣前列，成為名符其實的制造強國；2050年左右力爭進入第一方陣，成為具有全球引領的制造強國。

二.電子技術的發展

電子技術是20世紀發展最迅速，應用最廣泛的一個學科，代表性技術包括微電子技術、超級計算機、網絡終端、移動網絡、3D打印、機器人技術等，它是近代科學技術發展的一個重要標志。近幾十年來，伴隨著萬維網、數字電視、移動互聯網、云計算，以及3G、4G乃至5G通信等技術的相繼出現，電子技術又進入了一個新的發展時期，正朝著后摩爾時代、云計算時代、物聯網時代邁進。

考慮到電子信息技術涉及的面很寬，很難在這一篇幅有限的文章中全面論述。因此，下面主要就微電子、超級計算機、網絡終端、移動網絡、3D打印、機器人與天線裝備等幾個方面加以討論。不妥之處，敬請指正。

（1）微電子技術

2013年，“中國制造2025”戰略。

自1947年第一個晶體管問世以來，建立在以集成電路為核心的各種半導體器件基礎上的微電子技術對現代人類生活的影響極大。在微電子技術領域，有兩個著名的定律：一是摩爾定律，指的是微處理器的處理能力大約每18個月會翻一番；二是貝爾定律，即在計算能力不變的情況下，微處理器的價格和體積每18個月會減少一半。這兩個定律不是自然規律，但卻推動著微電子技術不斷向前發展。統計數據顯示，1982年以來，計算機中的CPU性能已經提高了10000倍，內存價格下降了45000倍，硬盤價格下降了360萬倍。

可以說，微電子技術的發展，反映了人們對技術持續創新的期望。直到今天，微電子技術依然處于高速發展狀態：每2年微處理器的頻率就會加倍；集成電路每18～24個月密度/速度就會加倍。與世界上微電子技術領域發展相比，我國仍存于追趕階段，水平亟待加強。比如在芯片工藝上，英特爾公司已開始7-5nm的研究，韓國三星由20nm向15nm進軍，臺灣的臺積電20nm芯片實現量產，而我們的“中國芯”40nm尚未量產。

微電子技術的快速發展，給很多領域都帶來了巨大而深刻的影響。如在軍事領域，一旦下一代射頻系統得到廣泛應用，由于其具有的小型、智能化特點，可以大大提升軍事裝備性能，滿足其在作戰時對任務靈活性、響應時間等方面提出的苛刻要求。

未來，微電子技術將朝著芯片微型化、計算芯片化和語言數學化方向發展。此外，由于微觀尺度的量子技術、宏觀尺度的外太空探測等的實際需求，以及納米芯片、自旋電子等的發明和發現，SOC、SIP、SOP等封裝技術將成為微電子技術發展主流。

SOC即片上系統，它將所有必要的電子電路和某一系統的部分放入一塊集成電路，這一始于20世紀90年代中期的技術，被廣泛應用于各類嵌入式消費電子產品中，被稱為“支撐網絡時代和網絡系統的關鍵器件”。

SIP即系統封裝，指的是在一個封裝中組合多種IC芯片和多種電子元器件，以實現與SOC同等的多種功能，它能夠兼容不同制造技術的IC芯片和無源元件，是一種多芯片堆疊的3D封裝內系統集成技術，具有空間占用小、省走線、焊點少、帶寬寬、電性能穩定等特點。

SOP即封裝級系統，從傳統的分立組件互連，轉變為利用多層薄膜元件和封裝技術，將微波與射頻前端、數字與模擬處理電路、存儲器、光器件與微米級薄膜形式的分立元件等多個功能模塊集成在一個封裝內，是一種二次集成技術。該技術提出了一個新定律：隨著組件尺寸縮小，電路板幾乎消失，組件密度每1年會翻一番，SOP具有的系統功能以同樣幅度增長，在系統微型化方面的效果將遠勝于摩爾定律。

（2）超級計算機

超級計算機是一個國家科技水平、經濟實力、軍事威力的象征，目前世界上擁有設計制造超級計算機的國家，主要包括美、日、俄、英、法和中國。

1997年，英特爾設計制造了第一臺萬億（10G）次超級計算機（ASCI Red），該計算機占地2000平方英尺，使用了1萬顆奔騰Pro處理器，運行時耗電500千瓦。2002-2004年，日本NEC公司的地球模擬器（earth simulator）連續獲世界TOP500的第一。2002年，DAPAR提出高效能的概念，不僅要提高計算機的性能，還要關注實用性，全壽命周期，這是第三代巨型機的概念。2007年，IBM研發出的超級計算機系統藍色基因（Blue Gene/P），性能為1000TF，相當于堆起來高1.5英里的筆記本電腦總和，Blue Gene/P是標志著超級計算機計算能力的一個重要里程碑。

當前，我國巨型機發展處于國際先進行列，銀河、曙光、天河等三大系列不斷沖擊國際領先水平。1983年的銀河系列，是中國第一臺巨型計算機，每秒鐘能運算200G次，標志著中國進入了世界研制巨型計算機的行列。2008年的曙光系列，殺入TOP500的前10位，總計30720個核，122.88TB內存，峰值速度達每秒8萬億次。2010年的天河一號A，TOP500排名第一，總計186368個核，224TB內存，峰值速度每秒4.7千萬億次，其中包含2048顆我國自主研發的飛騰FT-1000八核處理器。2013年天河二號繼續保持TOP500排名第一，總計2120000個核，1.4PB內存，峰值速度每秒5.49億億次。

未來，超級計算機將繼續在天氣預報、基因分析、核工業、軍事、航天等高科技領域發揮重要作用，并逐漸與大數據、云計算等新技術領域深度融合，而液冷技術、可視化技術、高密度產品將逐漸成為熱點。

（3）網絡終端

2012年3月，蘋果時任首席執行官（CEO）庫克在new iPad和Apple TV發布會上給“后PC”設備的定義：“在當今世界，個人電腦已經不是人們數字世界的核心，而僅僅是一款通往數字世界的設備。人們最常使用的設備應該更為便攜、更為個性化，并且要比PC更易于使用。”

網絡終端指的是專用于網絡計算環境下的終端設備，與PC相比，它通過網絡獲取資源，沒有硬盤、軟驅、光驅等存儲設備，應用軟件和數據也都存放在服務器上。以智能手機為代表的網絡終端，是“后PC”時代典型的電子設備。目前，中國手機網民規模已有5.57億，網民中利用手機上網人群比例高達85.8%，手機端即時通信使用率為91.2%。

一項針對智能手機性能的調查顯示，從處理器速度、標準RAM、儲存能力、顯示分辨率、外形尺寸和價格上看，當前智能手機的能力相當于8年前的PC的水平。越來越多的人開始使用智能手機瀏覽網頁、欣賞音樂、收發郵件，智能手機已經成為PC時代的主角。

網絡終端還包括大量智能可穿戴設備，它們已經被廣泛應用于醫療、運動、娛樂等行業領域，相關應用越來越豐富，市場規模將進一步擴大。據HIS公司預計，全球可穿戴設備市場在2018年將達300億美元，而國際數據公司（IDC）預計2018年全球智能可穿戴設備出貨量將達到1.119億部，年復合增長率達到78.4%。

2013年天河二號繼續保持TOP500排名第一，總計2120000個核，1.4PB內存，峰值速度每秒5.49億億次。

（4）移動網絡

移動通信網絡基本上以每10年一個技術更替為單位向前發展著。從20世紀80年代以來，移動通信網絡經歷了AMPS為代表的1G網絡，GSM為代表的2G網絡，CDMA2000、WCDMA、TDSCDMA為代表的3G網絡，以及TD-LTE和FDD-LTE為代表的4G網絡，目前正朝著5G技術發展。

自2013年12月4日工業和信息化部頒發4G牌照以來，4G網絡能力快速形成，新業務不斷推出，產業鏈不斷加強，截止目前，我國4G網絡基本完成了300多個城市的覆蓋，4G基站建設超過50萬個。2015年2月15日，中國移動宣布，4G用戶數量超過1億。當前，正處在4G網絡走向普及的關鍵時期。

移動網絡技術的未來發展趨勢，主要集中在5G網絡上。與4G網絡相比，5G網絡傳輸速度快10～100倍，網絡時延從50ms縮短到1ms，能夠滿足1000億量級的網絡連接。目前，中國華為、韓國三星，以及日本、歐盟等國家的通信企業，都把目光聚焦到了5G網絡，投入大量資金研發5G技術。

移動網絡技術的未來發展趨勢，主要集中在5G網絡上。與4G網絡相比，5G網絡傳輸速度快10～100倍，網絡時延從50ms縮短到1ms，能夠滿足1000億量級的網絡連接。

機器人是電子技術發展的一個重要方向，它是“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。

5G網絡涉及的關鍵技術，包括大規模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構。其中，大規模天線陣列是提升系統頻譜效率的最重要技術手段之一，對滿足5G系統容量和速率需求將起到重要的支撐作用；超密集組網通過增加基站部署密度，可實現百倍量級的容量提升，是滿足5G千倍容量增長需求的最主要手段之一；新型多址技術通過發送信號的疊加傳輸來提升系統的接入能力，可有效支撐5G網絡千億設備連接需求；全頻譜接入技術通過有效利用各類頻譜資源，可有效緩解5G網絡對頻譜資源的巨大需求；新型網絡架構基于SDN、NFV和云計算等先進技術可實現以用戶為中心的更靈活、智能、高效和開放的5G新型網絡。

（5）3D打印

3D打印，也稱增材制造，是通過CAD設計數據，采用材料逐層累加的方法，來制造實體零件的技術。相對于傳統的材料去除（切削加工）技術，3D打印是一種“自下而上”材料累加的制造方法。目前，比較成熟的3D打印技術已經有十幾種，包括立體光固化成型法、選擇性激光燒結、熔積成型、疊層法、三維打印等。

今天，3D打印技術已經被廣泛應用到消費電子產品、機動車、飛行器、醫療口腔醫學、工業商用機器、學術研究、政府軍事、建筑等相關領域。比如英國南安普頓大學制造的SULSA無人駕駛飛機，除電力馬達外，機身其他部件幾乎都由3D繪畫技術設計制造而成，翼展約為1.98米，最高時速可達160公里，且滑翔時幾乎無噪音。

回顧3D打印的歷史，還可以繼續往前追溯。1979年，美國用3D打印制造出了飛機渦輪盤；1985年，在美國國防部主導下，他們開始秘密研究金屬材料3D打印技術，主要是鈦合金激光成形技術，1992年將其公之于眾；2002年，美國航空航天局（NASA）研制出3D打印機制造金屬零件；同年，美國將激光成形鈦合金零件裝上了戰機；2012年7月，美國太空網透露，美國航空航天局在測試新一代3D打印機，他們希望把這種打印機送到火星上。此外，歐洲航天局（ESA）2013年也宣布，他們將利用3D打印技術在月球上建立首個人類基地，實現就地取材，打印成建筑，這一基地有望在40年內投入使用。

當前，全世界都在關注3D打印技術，但核心技術全部掌握在發達國家手中，僅從打印設備的數量來看，目前排在前三位的是美國、日本和德國。未來，3D打印技術將持續得到發展，并朝著4D、5D方向邁進。所謂4D打印，即在3D打印過程中采用智能材料，被打印物體可以隨著環境的變化而在形態上發生改變，而5D打印指的是細胞打印，醫學上需要的活體、器官，可以通過打印的方式，通過生長因子、干細胞的繁殖變成活體器官。

（6）機器人

機器人是電子技術發展的一個重要方向，它是“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。當前，人類社會正在從以“自我控制、自我管理”為特點的IT時代（Information Technology），進入以“別人為中心、服務大眾、激發生產力”為特征的DT時代（Data Technology），并將朝著“從萬物互聯擴展到萬物思考”的RT時代（Robot technology）邁進。

機器人技術的未來發展主要包括兩個方向：一類是仿生機器人，這類機器人的設計思路來源于自然界的啟發和靈感，通過對生物結構、內在機制的模仿創新來形成新方法和新技術，以適應復雜作業需求和極端工作環境，其系統設計與控制是關鍵，典型的例子包括仿生機器魚、打乒乓球機器人等。另一類是類人機器人，這類機器人將人腦模擬系統、電子神經網絡，類腦計算技術與具有類人動作的機器人平臺深度無縫融合，已具有人體外觀（包括肢體和肌肉組織等）和動作的機器人平臺為載體，實踐、應用視覺、聽覺、思維和運動多通道的信息處理與協同，實現全新的類人神經計算與控制。

（7）天線裝備

天線是無線電設備中用來發射或接收電磁波的設備，也可以把它理解為一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波變換成自由空間中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。天線一般都具有可逆性，即同一副天線既可用作發射天線，也可用作接收天線。

一個典型的天線系統就是反射面天線，其典型應用包括雷達的測控、警戒、搜索、預警、跟蹤，星間和民用衛星通信，射電天文以及無線能量傳輸等。反射面天線傳統的應用就不多說了，重點談談無線能量傳輸這個新的發展方向。

應用反射面天線進行無限能量傳輸這一技術一旦突破，可以通過建立空間太陽能電站，最終為解決人類能源危機問題帶來曙光，同時也可以為深空探測器、空間站、衛星等提供持久能量。在軍事領域，還可以制造具有攻擊速度快、轉換無時間、代價低、威懾大的高功率微波武器。

例如，如當使用能量密度為10-100W/cm2的強微波波束照射目標時，其輻射形成的電磁場可以在金屬的表面產生感應電流，通過天線、導線、電纜和各種開口或縫隙耦合到衛星、導彈、飛機、艦艇、坦克等武器系統的電子設備電路當中，破壞各種敏感元件，使電路功能紊亂、產生誤碼、中斷數據或中斷信息傳輸，抹掉計算機存儲的信息。如果感應電流很大，則裝備外殼開口與縫隙處可以被電離，從而變成良導體，燒毀電路中的元器件，使電子裝備和武器系統失效，整個通信網絡失控。

除了反射面天線外，天線還可以分為陣列天線、微電子機械天線、光子帶隙天線、超導天線和等離子天線等不同的類型，它們各具特點，被用在特定的領域。比如等離子體天線就是指使用被電離的氣體作為電磁能量傳導介質的天線，它通過控制等離子體的形態和強度等參數可以對天線帶寬、頻率、增益和方向性等特性進行動態的重構。與傳統的天線相比，等離子體天線其效率將更高、重量更輕、體積更小、尺寸更短、帶寬更寬。

三.結束語

當前，電子信息技術正在以前所未有的速度發展，并深刻地影響著我們的生活。無論是在國防建設、民用工業、高新技術等領域，還是在日常生活的方方面面，電子信息技術都被看作是核心的技術，也是世界各國技術競爭的關鍵。未來，電子信息技術在系統構成上將朝著復雜高精度的方向發展，在應用層面將會不斷突破更加極端的工作環境，并有望在未來出現和誕生更多變革式的新興技術，推動人類社會不斷向前發展。