邬贺铨-信息技术--面向10’年代发展的挑战

信息技术－－息技术面向10’年代发展的挑战面向10年代发展的挑战邬贺铨中国工程院2009102312009.10.23信息技术－－面向10’年代发展的挑战信息技术面向年代发展的挑战演进发的新时期演进发展的新时期战略抉择的新重点战略抉择的新重点竞争创新的新挑战竞争创新的新挑战2信息技术－－演进发展的新时期信息技术演进发展的新时期3信息技术发展趋势Technology信技术发展势TrendsgyIntegratedCircuitsx2indensity/speedevery18-24monthsPhti2itiiitPhotonicsx2intransmissioncapacityeveryyearStoragex2instoragedensityevery9monthsDisplaysx2inpixelsevery2yearsWirelessx2inpeakdatarateeveryyearSoftwarex2inoperatingsystemsizeevery2yearsSoftwarex2inoperatingsystemsizeevery2years4Source:AmitPatel,CTO,USStrategicAccounts,Alcatel-Lucent,FutureofTelecommunications,January2009微电子技术进步的效果微电子技术进步的效果(来源：Google,刘骏，“谷歌与云计算”；Intel，WSTS，Dataquest）1982年以来:如果汽油的性能能够如果汽车的价格以与1982年以来:CPU性能提高3500倍，内存价格下降45000倍，如果汽油的性能能够以同样的速度发展，1升汽油能够使飞行器如果汽车的价格以与硬盘同等速率下降，今天一部新车的价格全球人均拥有晶体管数2004年500个2010年10亿个内存价格下降45000倍，硬盘价格下降360万倍1升汽油能够使飞行器环绕地球旅行573圈仅为0.01美元全球人均拥有晶体管数：2004年500个，2010年10亿个100002025年可以用$400买到40PByte的iPd即可存4000个美国国会图GByte现在45nm处理器中每个晶体管的价格，1001000可存2千万本书（美国国会图书iPod，即可存4000个美国国会图书馆的馆藏存照片$399存电影仅相当于1968年的百万分之一。10馆全部馆藏）存音乐$400$349$3492010年平均每个晶体管成本只有十万51Jan03'Jan04'Jan05'Jan06'Jan07'Jan08'Jan09'Jan10'Jan11'Jan12'Jan13'Jan14'分之一美分微纳技术正在重构集成电路产业体系微纳技术正在重构集成电路产体系晶体管尺寸缩小，SiO2栅介质变薄，栅极漏电流低阻层多晶硅栅极增加，功耗上升，传统微电子技术临近极限。集成电路技术十年内仍可能按摩尔定律增长，将多晶硅栅极SiO2栅介质Si衬底源极漏极沿着两个方向发展：采用高K栅介质和金属栅极的创新工艺，缩小特征尺寸的技术有重大突破；Si衬底以SiO2为栅介质的传统工艺，难以突破45nm的极限尺寸的技术有重大突破；发展固态量子器件等:包括单电子器件、自旋器件、磁通量器件等和基于自组装的原子和分子器件与低阻层金属栅极一维结构的纳米线、碳纳米管等低维器件。未来的信息功能器件将充分利用微电子、纳米（甚至生物纳米）传感器MEMS技术等微纳技栅高K栅介质Si衬底源极漏极甚至生物纳米）、传感器、MEMS技术等，微纳技术正在重构集成电路产业体系。集成器件由单纯追求性价比正在转向追求功耗比采用高k栅介质的创新工艺，摩尔定律有效性延续至少10年来源黄节6集成器件由单纯追求性价比正在转向追求功耗比的技术创新。来源：Intel，黄节“摩尔定律能走多远？”计算机体系结构面临重大变革计算机体系结构面临重大变革，各种新的计算技术变革，各种新的计算技术正在重构计算机产业链从单机到网络环境：移动计算、普适计算、云计算、透明计算；基于新的机理的计算模型：分子生物计算量子计算VirtualRealityArtificialIntelligence基于新的机理的计算模型：分子生物计算、量子计算virtualTV(3D,touch,smell)7Source:W.Halal，ForecastingtheTechnologyRevolution:TheGlobalCrisisofMaturity，2008，软件技术发展需要新思想应对新需求软件的运行环境已经从传统的单机环境发展为网络环境，用户数量和复杂程度剧增；和复杂程度剧增；需要解决可信性问题、多核计算环境下的“软件执行效能墙”问题基于语义的信息资源聚合和互操作以用户为中心？问题、基于语义的信息资源聚合和互操作、下一代互联网、网格技术、软件中间件技术、Agent技术、本体技术和云计算异军突起Cloud以服务为中心云计算时代本体技术和云计算异军突起；软件加速向开源化、智能化、高可信和服务化方向发展；Web以软件为中心网络时代2006年CMU的软件工程研究所的研究报告认为：“目前的软件工程理论、对GUIWindows成为PC平台方法和实践将无法应对ULS系统增长的规模和复杂度……我们需要转变视角需要新的思想来应对遇到的问题”DOS以计算机为中心成为平台PC时代8角，需要新的思想来应对遇到的问题。通信传输技术的换代发展5080年代传输效率（信道速率/信道间隔）：1990年0.25，2010年2，2020年20每年容量加倍!年年第一代传输系统50~80年代下一代传输系统第二代传输系统1985~1995年第三代传输系统1995～2008年第四代传输系统2008～传输系统模拟，模拟，传输系统传输系统数字，数字，传输系统数字，数字，传输系统数字，数字，模拟，模拟，频分复用4380路光联网数字，数字，时分复用2.5Gb/s3万路数字，数字，波分复用1.6Tb/s2000万路数字，数字，多域复用16Tb/s2亿路OtilBtDWDMOFDMOpticalBurstSwitching?OpticalPacketOFDMPDMQPSK99Switching?QPSKcoherentdetection移动通信的换代发展宽带多媒体、数十年一代！十年一代！每一代峰值速率提高每一代峰值速率提高1010～～100100倍！倍！fft宽带多媒体、分组交换数据率与流媒体码分多址正交频分多址OFDMAffftt宽带、分组交换话音与频谱效数据频分多址时分多址TDMACDMAtt高速移动模拟、数字、电路交换分组交换话音效率GSMWCDMACDMA-2000TDSCDMA100MbpsOFDMA频分多址FDMA高速移动100Mbps,低速约1GbpsTACS电路交换GSMCDMA增强型演进型TD-SCDMA2Mbps200kbpsAMPS200kbps101980199020002010移动通信峰值速率平均每年加倍1000MbpsPeakratedoubleseveryyearOFDM+MIMOOFDM+MIMO技术技术100MbpsWiMaxLTEMobileBroadbandPeakratedoubleseveryyearOFDM+MIMOOFDM+MIMO技术技术10MbpsWiMaxEVDORev0EVDORevABroadcastVideoVoip/VideoConferencingTDSCDMAGSMGSM技术技术1MbpsGPRSEDGEUMTSHSDPAHSUPAWebBrowsingStreamingVideoVideoTD-SCDMA100KbpsGSMGPRS1xRTTTodayEmailCDMACDMA技术技术10Kbps20002001200220032004200520062007200820092010CDMA2000TodayVoice1120002001200220032004200520062007200820092010Source:MorganStanleyResearch&Companyestimates智能手机推动移动互联网发展ExperimentingWithNewApplicationsSocial嵌入计算机功能的智能手机推动了计算机的泛在化应用%ofusersMobileVideoSocialNetworkAccessFacebookYouTubeGoogleMapsiPhone30.9%49.7%20.0%30.4%36.0%IncreasingTheTimeSpentonCommunicationExperiencesAllphones4.6%4.0%1.5%1.0%2.6%Source:MMetrics,March2008gpp%oftimespentInternetMusiceMailiPhone12.1%11.9%10.4%Allphones2.4%2.5%2.8%Source:iSuppli,April20082008年与2006年相比全球使用手机上网的用户数已经增长倍据NilMbil2008年与2006年相比，全球使用手机上网的用户数已经增长一倍，据NielsenMobile预测，到2012年移动互联网的用户将超过使用计算机上网的用户数。年以来以苹果h和谷歌为代表的移动互联网概念的智能手机的问世122008年以来，以苹果iphone和谷歌G1为代表的移动互联网概念的智能手机的问世，诺基亚收购symbian公司，预示移动互联网将有一个新的发展。互联网流量继续高速增长Source:日本互联网干线流量×39025.3%18.5%62%InternetvideotoPCWeb,email,dataIPTV本联干线十年增加1000倍!Capacityin2020◇Switching:Tbps→Pbps×30%6.2%3.5%11%Others:11.5%P2PtrafficgamingVideototal:5.3EB*USin2008◇Switching:TbpsPbps◇Linkforcore:10Gbps→10Tbps◇Access:10Mbps→10Gbps×1×1×8in2007in2012in200744.4%1.1%0.7%VoIPƒ1998年Google只有2600万页搜索结果现在是1万亿页USInternetbackbonein2000YouTubein2008NorthAmericanInternetVideoGlobalInternetVideoƒ1998年Google只有2600万页搜索结果，现在是1万亿页ƒ目前全球每天有2100亿件emails，其中73%是垃圾邮件ƒ2008年用户产生内容(例如YouTube)的媒体流达到730亿件ƒFacebook和MySpaceeach都有超过1千万用户(其中3/4是90’后)ƒFlickr每天上传370万图片ƒ2008年发出13万亿条SMS（中国近7000亿条占全球538％同比增182％）13ƒ2008年发出1.3万亿条SMS（中国近7000亿条，占全球53.8％，同比增18.2％）来源：PerBlixt，EuropeanCommission，TheEuropeanapproachofFIRE,July,2009；CiscoVisualNetworkingIndex,2007–2012(June2008)信息爆炸时代2007年全球数据信息生成及复制量281EByte，等于地球上所有书本信息量之和的500万倍，相当于地球上每个人在2007年产生或复制了45GByte，5年增加了10倍！500万倍，相当于地球上每个人在2007年产生或复制了45GByte，5年增加了10倍！1Gigabytes=贝多芬的第五交响乐芬的第五交响乐1Exabytes=BillionGigabytesGigabytes5E