（二）现代信息技术

信息与物质、能量一样，伴随着人们社会经济活动的全过程。古老的“结绳记事”、“穿珠计数”等信息传输与处理方法，就是那一时代的信息技术，指南针、印刷木，造纸术等是历史上信息技术方面的革命。

现代信息技术进步主要是指上述主体信息技术或信息作业技术方面的发展。其中计算机技术和通信技术是现代信息技术的典型领域；微电子技术和信息材料技术是现代信息技术的支撑技术和基础技术。

关于计算机技术

计算机技术的发展过程

迄今为止，商业化了的计算机已历四代。1946 年世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”在美国宾夕法尼亚大学诞生。在这之后的一段时间内，这种以电子管为主要元件的电子计算机，称为第一代电子计算机，主要用于数据计算。从 50 年代后期开始，由于晶体管技术的成熟和“程序设计语言”的诞生，使电子计算机发展到第二代，其功能也从单纯计算发展到商业数据处理领域。进入 60 年代中期，随着集成电路技术的成熟和软件技术的发展，使电子计算机进入第三代，其应用面从科学计算、数据处理进一步扩展到办公室事务处理和工业控制等领域。70 年代中期，电子计算机进入了第四代，大规模集成电路成为计算机的主要元件。70 年代还发生了计算机发展史上极重要的事件，就是微处理器和个人计算机的诞生。这一时期计算机性能价格比继续提高，加之数据库、网络、图形处理等软件技术的发展，计算机的应用在80 年代取得飞快发展。80 年代是计算机技术发展最快的 10 年，也是计算机

应用大普及的 10 年。

电子计算机的基本构成

把计算机技术作为一个系统看待的话，它由“硬件”和“软件”两部分组成。

硬件，又称设备，通常由中央处理器、主存贮器、输入输出设备及其控制器构成。

中央处理器（常缩写成 CPU）由复杂的电子线路构成，是硬件的核心部件。其主要功能是执行“指令”。度量 CPU 性能最重要的指标是“速度”，即看它每秒能执行多少指令。60 年代初，最快的 CPU 每秒能执行 100 万条指令。到 1991 年，高档微处理器的速度，达到每秒 5000 万—8000 万次。

主存贮器简称主存，又称内存，是存放要执行的指令及其所用数据的地方。主存的一个特性是“随机存取”性，即我们随意从存贮器任一“位置”

（或称地址）取（或存）一个数，所花的时间相同，所以主存又称随机存取存贮器。

度量存贮器的功能是集成电路的集成规模。存贮器芯片的集成度已以百万位（即 Mb）为单位。一个 64Mb 的存贮器芯片，可以将 400 万汉字存入指甲大小的一个硅片上。

存贮器的另一性能指标是存数和取数的速度。过去常以百万分之一秒（即微秒）为度量单位，目前发展到以十亿分之一秒（即毫微秒）为度量单位。新型的砷化镓半导体器件的存取时间已以万亿分之一秒（即微微秒或称皮秒）为度量单位。

硬件中除中央处理器和存贮器之外，就是输入与输出设备，又称计算机外部设备。主要包括键盘、显示器、打印机、磁盘存贮器、软磁盘驱动器和

硬磁盘驱动器以及不断开发的与计算机连接使用的相应器件和设备。

综合考虑运算速度、存贮容量、数据传输速率（术语称带宽）、外部设备能力和通信能力等项功能指标，计算机分档为四种类型，即微型计算机、小型计算机、大型计算机和巨型计算机。

微型计算机，俗称微机，诞生于 70 年代，80 年代以来倍受重视，1991 年占计算机销售市场的份额已达 50％，是巨、大、小三档机的总和。值得提到的是，微型机中的个人计算机（简称 PC）和单板机或单片机，应用广泛，在信息革命中起到突出作用。

PC 机的运算速度和存贮容量已可与几年前的小型机水平相比，形态上正在由桌上向膝上型、笔记本型、口袋型等便携式、袖珍化发展。

单板机，是将简化的一个微型机全部放在一块印刷线路板上，其技术指标同 PC 机差不多。如果把微型机做到一块集成电路中。即成为“单片机”。这两种机型往往不以独立的形态出现，常常是嵌入一台设备、一台仪器或一件电器用品之中。各种数控机床、很多智能仪器、现代的轿车、通信设备以至家用电器中都已普遍采用这种形式。

小型计算机，其性能介于微型机和大型机之间，常用于小型通信中心、中型信息中心、中小企业业务管理，也可用于音像处理和人工智能研究。

大型计算机，运算速度快，存贮容量大，具有强大的吞吐能力，适用于大型信息中心、大型通信枢纽等。大型机一度在计算。机中占统治地位，到1991 年，其所占市场销售份额已下降到 25％左右。

巨型计算机，一般面向特定的应用领域，具有一定的专用性。有些问题具有很大的运算量，有的还必须在极短时间内“适时”算出结果，因此需巨型机。如中长期天气预报、基本粒子模型分析等问题的解决，需巨型机。

关于计算机软件。

计算机系统中所有的程序和文档及使用说明的总和称为软件。软件分为两类：一类是与用户解决应用问题直接有关的软件，称应用软件；另一类是计算机的基本软件，又称系统软件。充分发挥计算机功能，缩短计算机与人之间的距离，使计算机技术得到更为广泛的应用，将主要依靠软件技术的发展。

电子计算机的支撑和基础技术

微电子技术或称集成电路技术是电子计算机的支撑技术。90 年代以来，硅集成电路工艺技术更为成熟，实验室水平将从今天的 0.25—0.3 微米的设

计规则进展到突破传统半导体设计规则 0.1 微米的极限，可指望在实验室里

做出每片 100 亿位的存贮器芯片和每片含数亿个晶体管的微处理器，每片 10

亿位的存贮器芯片和每片含 1 亿个晶体管的微处理器将可以商业化生产。与此同时，新材料技术使得砷化镓器件和超导器件取得长足的进展，除集成度提高外，它们将比硅器件显示出速度和功耗方面更大的优越性，使单个微处理器的速度在实验室可达到每秒 1000 亿次，商用产品可望达到每秒 100 亿—

200 亿次。

总的来看，90 年代的计算机仍属于第四代范畴。基本特征是：硬件方面使用超大或特大规模集成电路、多媒体技术及超导器件；软件方面使用多媒体软件、并行处理和面向对象软件；应用方面更深入普及，普遍网络化。

计算机技术及其应用的发展趋势

今后 10 年乃至 20 年计算机技术发展的重点、或竞争最激烈的领域是什

么？科学技术专家出于要把握技术发展趋势、政府出于要确定今后技术发展战略的目的，纷纷做出预测。

日本经济企划厅综合计划局 1991 年 7 月提出“2010 年技术预测——未

来技术对日本产业经济影响的评价”，归纳出 60 项重要技术。其中直接关于

计算机技术的有 15 项：

①万亿位存贮器，它的实用化将有助于接近人脑的高功能计算机的实现。预计 2000 年问世。

②超导器件，其实用化将使计算机的功能产生飞跃，使大规模模拟得以实现。预计 202O 年达到实用化；

③超级智能芯片，其智慧判断力将比现在的半导体芯片强：000 倍以上，将被用于高功能计算机以及今后出现的各式机器。预计在 2010 年达到实用化。

④自我增殖芯片。以往半导体芯片是根据外部指令进行工作的，而自我增殖芯片则自我决定功能和动作。这种芯片使人们有可能研制出具有判断能力的计算机。实用化预计在 2050 年。

⑤超级并行计算机。其处理能力是现有计算机的数百倍至 1000 倍以上，

人类研制能思维的计算机不再是梦想。实用化预计在 2020 年。

⑥神经计算机。接近人脑，拥有知觉、思考、行动能力的计算机将会实现。实用化预计在 2030 年。

⑦自动翻译系统。其译文应能达到所译文字国家国语文章的及格水平。实用化预计在 2020 年。

⑧视觉现实系统，即利用计算机技术创造出一种仿真的假想世界，实用化预计在 2020 年。

⑨自我增殖数据库系统，是指计算机拥有学习功能、系统本

身可自动收集新数据和更新旧数据的数据库系统。实用化预计在 2020 年。

⑩半导体超点阵元件。它应用量子效应的超高速、超高频元件，每个元件都拥有存贮功能和演算功能。实用化预计在 2010 年。

万亿字节光盘文档，利用这个文档，人们可建立超大容量的数据库。实用化预计在 2010 年。
万亿位光通信设备，是综合服务数据网的光设备。这项技术可使人们进行彩色画面通信。实用化预计在 2010 年。
光计算机元件。它使用不受电磁场影响的光信号，将使计算机性能提高 1000 倍，实用化预计在 2020 年。
生物传感器，使人们能够检查和测量微量物质。实用化预计在 2000 年。
分子器件，是用分子水平组装技术制成的超高速计算机的主要器件。其集成度远远超过现在的超大规模集成电路。实用化预计在 2040 年。

美国《纽约时报》的科技记者经过征询各大学、政府机构和工业部门专家的意见，从预计今后 10 年内将居重要地位的技术中确定出 10 项关键技术。其中直接关于计算机技术的有六项：

①微电机，小到可以纳入一个句号中。早期的研究集中于利用计算机集成芯片制造技术，用硅片制成微型齿轮、传感器及其它部件。

②并行计算技术，到本世纪末，每秒钟完成 1 万亿次以上数学运算的超

级计算机可望问世。这种计算机以大规模并行数据处理技术为基础，可以将成千上万台独立处理器（即并行运算的硅片）组合在一起，可解即使当今最强大的计算机也无法解答的问题。

③数字成像、电视与计算机技术融合。计算机与电视机之间的界限变得日益模糊：计算机已逐渐能够显示出视频图像，而电视机则已从只能单向播放节目发展到能够用来创作、储存并检索根据个人需要编排的节目。

④超高性能芯片。一枚芯片上可容纳的晶体管数量将从 100 万个增加到

1 亿个。用光束在硅片上印制电路的技术可能会沿用到 90 年代末，此后可能需要用 X 光或电子束等新技术。

⑤软件编制技术。

⑥纤维光学。新的全国性网络、“千兆位网络”能使计算机数据和电视图像在全国超级计算中心、研究实验室、大学以及商业公司、家庭之间来回传递。

总的看来，今后 10 年左右的时期内，计算机技术将会有长足进展。主要发生在能够较快实用化、市场化的领域，包括微机性能的改进，功能的加强；巨、大、小、微计算机档次划分界限模糊化；大规模并行技术的发展；多媒体计算机技术对声音、文字、图形、图像（以至电视图像）进行输入、识别、存贮、处理、管理、输出；网络计算技术，使网络中各用户能不受地域限制共享系统中的硬件、软件和数据资源。至于人工智能技术，预计还不是近 10 年中能够应用化的领域。

40 年代以来，计算机技术随着更新换代的急速发展，应用范围亦迅速扩

张。尤其是 70 年代以来微机的迅速增加，更进一步快速拓展了计算机技术的应用范围。90 年代，计算机的应用将突出表现在：办公自动化、辅助设计、专家系统，并将从一个办公、计算和设计工具变成一种媒体，通过计算机通信网用以传播、交流信息，具有像广播、书刊、报纸那样的含义和作用，且融合于其它高新技术之中，对高技术及其产业的发展起更大作用。

关于通信技术

通信技术是信息技术中极重要的组成部分。从广义说，各种信息的传递均可称之为通信。但由于现代信息的内容极为广泛，因而人们并不把所有信息传递纳入通信的范围。通常只把语音、文字、数据、图像等信息的传递和传播称为通信。面向公众的单向通信，如报纸、广播、电视便不包括在内。但这种单向传播方式，由于通信技术的发展，也在发生变化。

现代通信技术的主要内容及发展方向，是以光纤通信为主体调卫星通信、无线电通信为辅助的宽带化、综合化（有的称数字化）、个人化、智能化的通信网络技术。

宽带化

宽带化是指通信系统能传输的频率范围越宽越好，即每单位时间内传输的信息越多越好。由于通信干线已经或正在向数字化转变，宽带化实际是指通信线路能够传输的数字信号的比特率越高越好（一个二进制位即“0”或“1” 信号，称为 1 比特。数字通信中用比特率表示传送二进制数字信号的速率。）

而要传输极宽频带的信号，非光纤莫属。据计算，人类有史以来积累起来的知识，在一条单模光纤里，用 3—5 分钟即可传毕。1966 年高锟博士建议用带色层的玻璃丝，即光纤，作通信传输线。这一建议很快得以实现。20 多年来，光纤通信发展异常迅速。据统计，到 1991 年底为止，全球已铺设光

缆达 563 万公里，估计到 1995 年，铺设光缆总长度可达 1100 万公里。

光纤传输光信号的优点是：传输频带宽，通信容量大：传输损耗小，中继距离长；抗电磁干扰性能好；保密性好，元串音干扰；体积小，重量轻。光纤通信技术发展的总趋势是：不断提高传输速率和增长无中继距离；

从点对点的光纤通信发展到光纤网；采用新技术，其中最重要的是光纤放大器和光电集成及光集成。

综合化（或数字化）

综合就是把各种业务和各种网络综合起来，业务种类繁多，有视频、语音和数据业务。把这些业务数字化后，通信设备易于集成化和大规模生产，在技术上便于与微处理器进行处理和用软件进行控制和管理。

1988 年，国际上已一致认为，未来世界网络的发展方向是宽带综合业务

数字网，并且在 1990 年制定出第一批宽带综合业务数字网的国际标准，预计

1994 年可完成有关的全部标准，而在 1995 年前达到实用化。

个人化

个人化即通信可以达到“每个人在任何时间和任何地点与任何其它人通信”。每个人将有一个识别号，而不是每一个终端设备（如现在的电话、传真机等）有一个号码。现在的通信，如拨电话、发传真，只是拨向某一设备

（话机、传真机等），而不是拨向某人。如果被叫的人外出或到远方去，则不能与该人通话。俪未来的通信只需拨该人的识别号，不论该人在何处，均可拨至该人并与之通信（使用哪一个终端决定于他所持有的或归其暂时使用的设备）。要达到个人化。需有相应终端和高智能化的网络，现尚处在初级研究阶段。

智能化

餐能化就是要建立先进的智能网。一般说来，智能网是能够灵活方便地开设和提供新业务的网络。它是隐藏在现存通信网里的一个网，而不是脱离现有的通信网而另建一个独立的“智能网”，而只是在已有的通信网中增加一些功能单元。

在没有智能网时，如果用户需要增加新的业务或改变业务种类时，必须告诉电信局，电信局一般都需要改造一些通信设备，费钱费时，用户难以接受。有了智能网，这些都很容易办到，只要在系统中增加一个或几个模块即可，所花费的时间可能只要几分钟。当网络提供的某种服务因故障中断时，智能网可以自动诊断故障和恢复原来的服务。

上述四个方面是互相联系的，没有数字化，宽带化、智能化和个人化都难以实现；没有宽带综合业务数字网，也就很难实现智能化和个人化。通信技术的“四化”实际上就是彼广为宣传的“信息高速公路”的具体技术内容。

现代通信与传统通信最重要的区别是：在现代通信中，通信技术与计算机技术是紧密结合的。要实现上述四化，必须开发许多领域的技术，如微电子技术（超大规模集成电路）、新的电子器件、。高性能的微处理机、新传输媒体（如光纤、更高波段的电磁波）、新交换技术等。从国外通信技术的发展看，大约从 70 年代开始，通信即进入了现代通信的新时代。目前，各项通信技术的发展正处在方兴未艾之中。

关于传感技术或感测技术

计算机技术、通信技术主要是指信息处理技术和信息传输技术，传感技术则是信息获取技术。人们一般是通过耳听目视获得几乎全部信息的。因此，

扩大耳听目视的自然范围，克服空间、时间及人体器官的有限响应，如波长、灵敏度、信息量的局限等，成为信息获取技术的重要发展方向。为了望远，人们发明了光学望远镜、射电天文望远镜；为了观微，人们发明了光子、电子、离子显微镜；为了观内，人们发明了调光、超声波、，微波、核磁共振成像技术；为了观大，人们发明了飞机与卫星的各种波段的航空航天遥感。这一切都大大扩充了视听的范围。

1957 年 10 月第一颗人造卫星发射成功。自那以来，短短 30 余年，世界

主要国家已形成了相当规模的航天产业，迄今已有 22 个国家组织发射了航天

器；有 58 个国家投资发展航天技术，总投资高达近万亿美元；有 170 多个国家和地区应用航天技术成果。航天遥感的出现，给人类观测地球提供了最有效的场合。它的迅速发展使得在资源勘探、海洋开发、农林管理、气象预报、环境灾害监测、地貌测绘等应用领域中，发生着革命性变化。美欧日等 24

国发起了一项规模极为庞大的“行星一地球计划”，计划 10 年内发射 24 个地球遥感卫星，耗资 150 亿—300 亿美元，目的是监测地球环境的变化。在空间已经采用的信息获取新技术是各类星载遥感仪器，如照相机、电视摄像机、红外及多光谱扫描仪、电荷耦合固态推扫式摄像器、微波辐射仪、合成孔径雷达等。目前的发展以信息传输型的遥感仪器为主流，而不是从空间回收拍摄的胶片。其中利用卫星红外传感器获得目标已取得显著进展，可以从空中对 1/2 地球表面进行实时监视，如帧频（每秒钟传送图像的次数）为每秒 2 次，每个像点用一个 10 位数码描述，每位数需硬运算 10 次，卫星上需

要一个 100 亿次的计算机，而发展这样的计算机需要近 10 年时间。