兵器等专场
电子信息
2014年04月02日

  一、引言

  当今,随着电子信息技术的发展及应用,电子信息学科越来越受关注。电子信息学科理论和技术发展快,派生新学科或分支、融合产生新学科的能力强,与产业发展相关性大,研究方向大量来自产业发展的需要,不少研究成果工程特色鲜明,直接应用于产业,学术和工程、产业结合紧密。电子信息产业是发达国家和中、印等发展中国家公认的战略性新兴高科技产业,最近半个多世纪以来始终处于高速发展之中,在各国国民经济中所占的比重不断攀升。如今世界进入了信息时代,而信息时代的科学和技术基础就是电子信息学科。微电子、光电子和软件技术造就了集成电路、光纤通信、互联网、移动通信、平板显示等一个又一个对国计民生至关重要的产业,更有意义的是,电子信息技术(涵盖了信息科技IT和信息通信科技ICT)的渗透性和融合性还让许多传统产业得到新生活增添了新的活力。

  今天,我们很难界定一些新兴学科究竟是属于传统技术领域还是电子信息学科领域。计算机、自动化、智能仪表、人工智能、中文信息处理、医疗电子、航空航天电子等等,或是历史上由电子信息学科派生、分蘖,或是正在迅速发展成为一门未来前景不可限量的新兴学科。这个问题也困扰了我们多年:究竟该如何定义电子信息学科?

  正因为电子信息学科(在中国工程院的分类中称为“信息与电子工程”学部)涵盖的领域面太广,各个领域研究水平各异,全面评价学科研究的发展情况比较困难,给出一个统一结论的可能性几乎不存在。因此,在历次学科发展报告的编写过程中,我们只能选取一些近两年中进步较快、受到关注较多的一些领域或分支组织编写专题报告,希望能够以它们为代表反映电子信息学科的发展情况、与产业的结合以及借此来预测学科发展可能的重点及趋势。

  二、本学科近两年最新研究进展及国内外比较

  电子信息学科,顾名思义,包括了电子和信息两大分支。“信息”包含传统意义的计算机、软件、外围设备、人工智能、控制技术、系统工程相关科技领域,也包括近年发展极为迅速的数据通信网络、无线通信网络以及自动控制相关学科;“电子”则以微电子、纳电子、光电子、激光通信技术、大功率激光、功率电子器件、传感技术、电子发光、电真空、平板显示等为代表,覆盖领域极为广泛。随着学科发展,过去未被突出的与“信息内容”相关的技术,诸如与信息表现形式相关的多媒体技术、与内容处理相关的大数据技术、与内容传播相关的互联网、移动互联网和移动通信、社交计算技术、与信息消费和信息服务相关的云计算技术,与信息采集利用相关的物联网技术等领域,影响力和知晓度大大增加,技术研究与应用不断深入。

  根据工业和信息化部相关研究分析,当前电子信息产业正处于技术转型升级时期,很多传统技术已经处于成熟时期,而新的技术形态尚处于发育阶段;由于其在产业地位中的基础性,渗透性特点,电子信息技术已经覆盖到许多传统工业领域,也影响到农业、医药、生物和社会发展各个领域;因此,“十二五”时期是我国电子信息产业发展的关键时期。人们日益普遍使用各种信息技术成果来生产、处理、交换、传播和消费、利用各种形式的信息。信息技术体系已成为一个为达成战略目标而采用和发展的综合技术结构,从最初主要偏向科学工程应用发展成为当今科学工程与数据信息混合应用的阶段。电子信息技术在社会经济生活和普通人日常生活之中“无处不在”。也许正是由于电子信息学科的活跃和持续不断的快速发展,电子信息学科领域始终显得“庞杂”和“边界模糊”。下面仅从一些学科分支(不是完整分类)的“片言只语”,来“窥探”整个学科的进展。

  (一)微电子与光电子

  微电子技术相关行业主要是集成电路行业和半导体制造行业。集成电路产品的发展趋势是芯片面积越来越大,集成度越来越高,特征尺寸越来越小,片上系统日益完善。微电子技术与其他学科的结合,产生了或正在产生一系列崭新的学科和经济增长点,除了系统级芯片外,量子器件、生物芯片、真空微电子技术、纳米技术、微电子机械系统等可能成为未来各个相应技术领域的主角。

  同时,需要看到我国内地的微电子技术行业与世界先进水平相比还有很大的差距。从制造方面说,国外的芯片生产技术已达到12~18英寸/0.13~0.1微米及以下水平,而我们仅停留在8英寸/0.25~0.13微米水平;从设计方面说,国内多数是仿制的低水平IC,很少企业拥有自主知识产权的集成电路芯核(IP)技术。比如,我国内地90%的芯片是消费类,而国外75%的芯片是通信类;从人才方面说,我国内地人才中搞半导体的占75%,而发达国家正好相反,是高层次系统设计人员占75%。因此,要提高我国内地的微电子技术的整体水平,还需要长期的艰苦的努力。

  光电子技术主要包括的内容为:作为光子产生、控制的激光技术;作为光子传输的波导技术;作为光子探测和分析的光子检测技术;光计算和信息处理技术;作为光子存储信息的光存储技术;光子显示技术;利用光子加工与物质相互作用的光子加工与光子生物技术等。由以上技术形成的光电子行业的五大类产业格局,即:光电子材料与元件产业、光信息(资讯)产业、传统光学(光学器材)产业、光通信产业、激光器与激光应用(能量、医疗)产业等。

  近年来,许多国家,特别是工业发达国家都在大力发展光电子技术和产业,应用领域包括了计算、通信、娱乐、教育、电子商务、公共卫生和交通运输,以及军事领域的指挥和控制系统、照相、雷达、飞行传感器和光制导武器等。光电子技术行业的主要产品包括:激光器、光盘、成像传感器、光纤以及关键部位使用光电子元器件的所有仪器和系统。我国与欧美和日本无论在技术水平还是产业发展上都还有较大差距。

  (二)现代通信技术

  随着数字化技术的发展,通信传输在向高速大容量长距离发展,光纤传输速率越来越高,波长从1.3μm发展到1.55μm并已大量采用。一个波长段上用多个信道的波分复用技术已进入实用阶段;光放大器代替光电转换中继器已经实用;相干光通信,光弧子通信已取得重大进展,这将使无中继传输距离延长到几百甚至几千公里。无线通信和基于无线通信技术的移动互联网近年发展异常迅速,移动互联网成为ICT领域五大热点词汇之一,它的发展和普及将极大影响人们的社交、工作和生活方式,带来革命性的变化。

  (三)感测与和识别技术

  感测与识别技术的作用是扩展人获取信息的感觉器官功能,它包括信息识别、信息提取、信息检测等技术。这类技术的总称为“传感技术”,它几乎可以扩展人类所有感觉器官的传感功能,甚至进入对思维、思想的“感知”。传感技术、测量技术与通信技术相结合而产生的遥感技术,使人感知信息的能力得到更进一步的加强。随着信息技术的迅速发展,我国以遥感卫星为代表的遥感技术广泛应用到勘探、气象、海洋开发、环境监测、测绘、土地利用、防火等各个应用领域,并取得了长足进步。最近几年国内兴起的“物联网”热也是基于传感和识别技术,未来发展前景可期。

  随着材料科学、纳米技术的发展和微纳加工技术的进步,传感器呈现出小型化、微型化的趋势,伴随着微电子技术的进步和计算机技术的发展,集成化、智能化、网络化和多传感器融合也成为传感器发展的趋势。在交互控制方面,无论是人机之间的语音交互控制、手势交互控制和以电容屏为代表的多点触屏控制技术,还是以智能拟人机器人为代表机器与机器、机器与环境之间的交互控制技术,都得到了长足的进步和发展。相比这些方面的进展,基于脑-机接口的交互控制方式无疑是近年来最有代表性的交互控制范式之一,除了可以完成人机之间的信息交流,广义的脑-机接口技术还可以用来进行神经性疾病的治疗或进行受损功能修复。

  (四)信息安全技术

  信息安全关乎国家的经济安全、政治安全、社会安全、文化安全和国防安全,已经成为国家安全的重要组成部分。2006年我国政府公布了自己的商用密码算法,这是我国密码发展史上的一件大事,公开算法必将促进我国密码研究和应用的繁荣。

  近几年,我国密码学和安全协议领域取得长足进展,从序列密码、分组密码、Hash函数、公钥密码到安全协议五个方面,我国的研究均取得了长足进展。如:我国自主设计的祖冲之序列密码算法、在序列密码相关学术领域中我国学者取得了一系列具有国际先进水平的理论成果;对作为诸多密码系统的核心要素,保障信息保密性和完整性的重要技术之一的分组密码,主要集中在对经典模式的改进上,在已被广泛应用的公钥密码方面也有不少进展;而在密码协议的理论和应用方面,我国学者做了大量有意义的工作,在密码协议设计的思想和方法上都有所创新,推进了密码协议研究的发展。

  总的来说,在以密码技术为基础的信息安全领域,我国学者起步较晚,进展不少,但除了个别突破之外,总体水平与世界先进水平还有差距。目前在业界关注的云计算、移动互联网、物联网等领域的信息安全也是专家学者正在努力研究和关注的。

  (五)大数据和数据挖掘

  大数据是目前信息领域中五个大热门名词之一,之所以热不仅仅是因为炒作,而是如今虚拟世界的重要性已经被越来越多的人所认识,数据多到无法处理,数据中隐藏的价值确实吸引人。大数据不同于其他学科分支的一点是,它更偏重于实用技术,是一种多学科、多种技术的综合。与许多其他技术一样,大数据技术也是“舶来品”,由于新,我们还有相当大的差距。但最近一段时间,我国学者在所涉及的数据模型、处理模型、计算理论,与之相关的分布计算、分布存储技术,数据清洗和挖掘技术,流式计算、增量处理技术,数据质量控制等方面还是有所建树。我国在互联网应用上用户基数大,物联网应用上不落后,大数据伴随它们的发展得到快速成长应该可以预期。

  数据挖掘概念虽先于大数据,但与大数据不可分。数据挖掘涉及数据预处理、数据分类、数据聚类、序列模式挖掘等四个方面,对数据库中的知识发现非常有用,是知识发现过程中的一个核心步骤。我国研究者关注以数据平滑、维度约简、数据离散化及样例约简为例的数据预处理,决策树、贝叶斯、k-最近邻法、支持向量机、粗糙集以及模糊逻辑等典型的分类方法,以及聚类模型,序列模式挖掘。今后一段时间会关注大数据的快速计算、多模态信息融合、大数据的特征降维等技术方向。

  (六)新一代网络

  以互联网为代表的信息网络对现代经济发展和生活不可或缺,但也面临着地址空间匮乏、带宽瓶颈、网络安全、移动性支持等一系列问题。为了解决这些问题,新一代网络呼之欲出。新一代网络必须解决新信息网络的体系理论、异质异构网络的一体化、新网络体系的服务普适、新网络体系下的可信与移动问题等四个关键科学问题。美国、欧洲、日本等世界各国都投入大量精力进行研究,一种方法是继续采用以IP协议为核心的网络体系结构构建下一代互联网,兼容现有各种通信网络,支撑用户开发创新应用。另一种方法则是建立全新体系结构,例如“一体化标识网络”等成果所体现的体系结构。两种技术路线都有许多成果,有的还进行了规模化实验,国内外基本上站在同一起跑线上。今后的研究可能聚焦于解决网络安全、移动性能、可扩展性、节能、资源利用率等方面。

  (七)音视频编解码技术

  数字图像/视频自20世纪50年代随着信息的数字化发展而出现并兴起,但随之而来的问题是数字化以后更高清晰度图像/视频的数据量急剧增加,远远超过了存储空间和传输带宽的承受能力,给数字视频应用带来了很大的限制。因此,视频压缩成为数字视频领域的核心问题之一,几十年来学术界和工业界都对其进行了长期而又深入的研究,并取得重要进展。视频编码技术近期主要发展方向主要包括以HEVC/H.265为代表的混合框架编码技术,3DV立体视频编码技术,基于视觉特性的编码,以及监控视频压缩、屏幕视频压缩等新兴应用相关的视频编码技术。

  三、本学科发展趋势和展望

  当前,电子信息技术发展的总趋势是从典型的技术驱动发展模式向技术驱动与应用驱动相结合的模式转变,发展趋势主要包括以下五个方面:

  1.高速度大容量。在海量信息四处充斥的现状,处理高速、传输和存储要求大容量就成为必然趋势。从器件到系统,从处理、存储到传输、交换,电子信息技术正向着几乎无限的高速度大容量方向发展。

  2.综合化集成化。信息采集、处理、存储与传输的结合,信息生产与信息利用的结合,各种媒体形式的结合,各种业务和内容的综合,都体现了综合和集成的理念。

  3.平台化。云计算风起云涌,大大拓宽了信息服务提交模式,平台因此而更加普遍化。信息技术和信息的普及促进了平台化的发展。人们需要得到信息、得到服务,但不必理会技术细节;需要各种服务灵活部署、信息更加容易共享,业务协同方便;希望个性化的需求得到更大程度的满足。

  4.智能化。“智慧XX”遍地开花,反映了其背后的各种技术越来越智能化。各行各业应用电子信息技术的结果,归结到本行业技术和业务的飞跃甚至革命,智能化给我们带来了无限的遐想空间,电子信息学科为智能化作出了最大贡献。

  5.人文化。信息最终为人所用,人与外界交互的方法有多少种,信息表现和操作的方式就有多少种。信息表达形式早就超越了传统的文字、声音、图形图像、视频,机器视觉、听觉、触觉、语言、姿态甚至思维等等的处理技术发展方兴未艾。人已经在信息领域成为真正的主人。

  展望新电子信息技术未来发展方向,微电子、纳电子和设计集成技术,面向下一代的智能检索技术,无线通信和网络技术,电子信息技术与生命、医疗科学的结合等将可能成为未来信息技术学科发展的重点。

  长期以来,电子信息技术的“普及”程度一直未能达到“阀值”,其影响尚不足以大到导致人类生活和行为方式改变的地步,只有“信息”借助“电子”的载体走进几乎每个人的生活,让你须臾不能摆脱它们的存在和影响,一代人又一代人的行为方式与上一代产生巨大的“代沟”,社会就真的变了。想要实现这一目标,需要微电子、光电子、计算、网络通信、软件、传感等几乎涉及电子信息学科所有领域,而且超越电子信息学科的共同进步;反过来,社会变革也将极大推动电子信息学科的发展。


  Electronic and Information Science

  16.1 Introduction

  The industry of the electronic and information is universally regarded as a strategic emerging industry, which takes a great proportion in the national economy and it is raising year after year. Now we are in the information society, and the science and technology basement is the electronic and information discipline. For example, the development and application of the integrated circuit, optical fiber communication, internet and the mobile internet is contributed to the microelectronics, optoelectronic and software technology and so on. Electronic and information technology includes information technology (IT), information communication technology (ICT) or infiltrating and combing with both. With the help of the electronic and information technology, the traditional industry gets renewed. At present, it is difficult to distinguish the class for some new disciplines between the traditional technology and electronic information technology, such as, computer, automation, intelligent instrument, artificial intelligence and information processing, medical electronics, aerospace and so on.

  16.2 Current Research Development

  The boundary and the scope are hard to be defined since the rapid development speed for the electronic and information discipline. As a result, the discipline development is only organized by some sub discipline rather than the complete classification.

  16.2.1 Microelectronics and optoelectronics

  Microelectronics industry mainly includes integrated circuit industry and semiconductor industry. The development trend of the integrated circuit area is that the chip square is bigger and bigger, the integration level is higher and higher, the feature sizes is smaller and smaller and the system on chip (SOC) is more and more perfect. The main content of the optoelectronic technology is as follows: as photons produce, controlling of laser technology and its related application technology; as a photon transmission waveguide technology; as a photon detection and analysis of photon detection technology; optical computing and information processing technology; as the information stored in the photon optical storage technology; the photon display technology; using photon machining and material interactions of photons and photon biological technology.

  16.2.2 Modern communication technology

  With the development of digital technology, the transmission communication is moving in the high speed and large capacity and for long distances. A wavelength section with multiple channel WDM technology has entered the stage of practical for tens of years; optical amplifier instead of the photoelectric conversion repeater is practical; coherent optical communication, optical soliton communication has also made significant progress. This will make the transmission length without repeater extend to hundreds or even thousands of kilometers. Wireless communication and mobile Internet based on wireless communication technology make rapid development exceptionally in recent years and mobile Internet become one of the five hot words in ICT.

  16.2.3 Remote sensing and sensing

  The role of sensor and the recognition is extended to people’s sense. It includes information identification, information extraction, information detection technology, etc. All these kinds of technology are called “sensor technology”. With the development of the materials science, nanotechnology and micro-nano processing technology, sensor presents the trend of miniaturization, micromation. In an interactive controlling, whether the man-machine voice interaction control, gesture interaction controlling and the typical multi-point touch screen control technology, or the machine to machine represented by intelligent anthropomorphic robot, machine and environment interactions control technology, has made great progress and development.

  16.2.4 Information security technology

  In recent years, it has made rapid progress in the domestic field of cryptography and security protocols, from the sequence codes, block cipher, a Hash function, public key cryptography and security agreement. In the field of information security based on cryptography, scholars in our country started later, and in individual breakthrough, the overall level has a great gap between the world. At present, cloud computing, mobile Internet, Internet of things, and other fields are being concerned. The scientists and technicians are working together for the information security, and the trusted cloud computing as well as other general trusted computing can be expected.

  16.2.5 Big data and data mining

  Big data is one of the most popular nouns in the information field, the reason lies in not only the hype, but also the importance of the virtual world, which has been known by more and more people. Big data is more focus on practical techniques; it is a comprehensive multidisciplinary, multiple technology processing object. Data mining includes data preprocessing, data classification, clustering, sequential pattern and so on, which is useful for knowledge discovery in database. In future, it will focus on big data fast calculation, multimodal information fusion, the dimension reduction of the characteristics of the large data and other technical direction.

  16.2.6 New generation network

  The Internet information network plays important and indispensable role in the modern economic development and our daily life, while it also faces the lack of address space, bandwidth bottlenecks, network security, mobility support and other problems. In order to solve these problems, a new generation of network is highly desirable. The United States, Europe, Japan and other countries around the world have spent a lot of energy and time in investigating the new information network system theory, the heterogeneity of heterogeneous network integration, the new network system of universal service, credibility and mobility under the new network system and so on. One way is to build next generation Internet based on the IP protocol, which is compatible with the existing various communication networks and supports the user to develop innovative applications. Another method is to establish a new architecture, such as the “integrated identification network”. Future research may focus on the solution to network security, mobile performance, scalability, energy saving, resource utilization, etc.

  16.2.7 Audio video coding technology

  Video compression, therefore, becomes one of core issues in the field of digital video. For decades, both in academia and industry, people have taken lots of researches and made important progresses. The recent major development direction of the video coding technology mainly includes the hybrid coding technology which is represented by HEVC/H.265, 3DV stereoscopic video coding technology, encoding based on visual feature, and monitoring video compression, compression of the screen video and so on.

  16.3 Development Tendency

  Electronic information technology influences the people’s way of thinking, social communication, production and way of life. But for a long time, “universal” degree of electronic information technology has not been able to achieve the “threshold”; its influence is not big enough to lead to human life and behavior change. Only the carrier of “information” with “electronic” walks into the life of almost everybody. You can’t get rid of their existence and influence of surroundings, and the society has really changed. In order to achieve this goal, microelectronics, optoelectronics, calculation, network communications, software, sensor and other areas related to electronic information subject, will be beyond the common progress of electronic information discipline.

  16.4.Summary and Prospects

  Electronic information technology is like a vast sea, we can’t understand the whole sea from a drop or a puddle of water. When we choose the topic and write the book this year, we try to avoid computer science in the software discipline, communication disciplines, automatic control and other potential overlap premise. This study focuses on several more active areas: next generation of networks, digital video encoding and decoding technology, big data and data mining, sensor technology, semiconductors and microelectronics, information security etc. Indeed, these areas do not reflect the whole picture of electronic information science; we just hope that, through the development of research report, electronic information can ultimately be the main subject areas. We can see hard work of our scientific and technological workers results, our gap with the world advanced level, hot issues raised and possible breakthrough in the direction. We can complete the “great mission” by the ongoing efforts.