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1、关于21世纪 信息技术发展的思考中国科学院计算所人类认识世界的四大基本问题 天问：宇宙的起源和进化 物问：物质的本原 命问：生命的起源 脑问：人类智慧的本质“四问”推动技术浪潮 天文学（天问）推动农业、航海业 物理化学（物问）推动能源、材料、信息技术 生物学（命问）推动基因农业和基因药物 脑科学（脑问）推动下一轮智慧技术浪潮第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮第四次浪潮第五次浪潮1785 1845 1900 1950 1990 1999 2020 创 新 步 伐水力 纺织 铁蒸汽 铁路 钢电 化学品 内燃机石油化学 电子 航空数字网络 软件 新媒体60年55年50年40年30 年技术创新浪潮的经济长
2、波规律（康德拉捷夫）机械化铁路化电气化 电子化 数字化1500160017001800190020002100意大利 1586英国 1664法国 1746德国 1825德/美 1895美国 1976中国（？） 2050世界科学技术周期第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮第四次浪潮 1990 2020 2050 2080 2100创 新 步 伐数字网络 软件 新媒体生物基因 蛋白质 纳米材料脑科学 智慧技术？ ？对21世纪技术创新浪潮长波的猜想网络经济的发展趋势 从边际成本递增（传统经济）向边际成本递减（ 网络经济）转变 计算机、电信、广播、出版、娱乐业的行业融合 电子商务将成为21世纪的主要商务模式
3、 预测2003年 1.3万亿美元 5年左右10亿人上网，数以千亿计的手持嵌入终 端接入网络 光纤通信成本几乎为零，家庭拥有G位带宽、TB 存储容量信息技术的宏观发展趋势 向高度(高性能)、广度(普及计算)和深度(智能化)发展 从客户机/服务器(Client/Server)向浏览器/网格(虚拟环境)(Browser/GRID)发展 从人围着机器转向机器围着人转发展(人机和谐) 向计算机(Computer)、通信(Communication)、消费电子(Consumer Electronics)与信息内容(Content)融合的4C信息世界发展 由产品技术向服务技术发展 向感觉不到计算机存在的信息
4、技术应用发展信息技术指数性发展 Moore定律 10-15年内还适用 芯片性能/价格每18个月翻一番 5年10倍，10年100倍，15年1000倍 近18个月的进展=以前全部进展 广域网带宽一年增长4倍（三年64倍） 图形能力三年增长100倍 存储能力二年增长7倍信息技术发展快的根本原因 信息逐步成为人类的主要消费资源 劳动资源的信息属性的重要性增加 信息产品尚有很多不合理之处 人类对物质结构的深入认识使集成电路 和光通讯成为成熟技术信息技术：21世纪的革命 -美国总统科技顾问委员会的报告 高端计算（High End Computing and Computation） 人机界面与信息管理 智
5、能系统、多模式交互、虚拟现实、信息安 全等 数字图书馆 大规模网络（Large Scale Networking）可扩展信息基础设施、第二代因特网等 软件设计与生产率 高可信软件系统 社会、经济与人力资源开发微电子技术发展趋势 （高性能方向）微电子技术发展趋势 从5微米到0.18 微米已经历9代，每代约三年 2002年0.13微米工艺实用化，2006年采用0.1微 米工艺，2012年可望达到0.05微米工艺 前沿技术：铜互联、绝缘体上硅晶片（SOI） 系统集成芯片（System on Chip）成热门 PC CPU将逐步退出主流芯片，Network Processor DSP 发展势头强劲。
6、21世纪将由微电子时代发展到纳电子时代The SIA CMOS RoadmapTechnologies: Superconductor RSFQ the worlds fastest digital logic1 THz HTS RSFQ (?) 100 GHz 30M JJ3M JJ 0.4 um300K JJ 0.8 um10K JJ 1.5 um3.5 um 10 GHz 0.05 um0.07 um 0.10 um 0.12 um0.14 um0.20 um 1 GHz “no known solutions“ optical lithography 100 MHz 1995 1998
7、 2001 2004 2007 2010YearSOC的成功范例-小卫星 2000年1月26日美国发射五颗小卫星（一母四女） 重量226克，体积10*4.9*2.5cm 每对小卫星用30米长金丝细线相连（作天线） SOC是小卫星的关键技术国际上的热门芯片 微处理器（RISC、CISC、VLIW） 片上系统（SOC） 图形和多媒体芯片 数字信号处理芯片（DSP） 网络处理器芯片 网络、通信和总线芯片 无线通信器件 芯片多处理器（CMP） 特殊用途和低功耗芯片处理机体系结构存在的主要问题 未来5-10年单块CPU芯片将包含几十亿晶体管 CPU速度与片外存取速度形成巨大差距 片内缓存（SRAM）占据
8、一大半芯片面积 Superscalar、Superspeculative、trace processor控制复 杂、设计困难，VLIW编译难度大，片内多处理器加 大存储器差距 当前CPU芯片主要为科学工程计算（SPEC）和事务 处理（TPC）而设计的的，不适合多媒体流处理和网 络通信 目前CPU芯片功耗太大，不适合移动计算 芯片设计越来越复杂，设计费用太高，周期太长。未来微处理器的挑战 线宽与其他特征的扩展不同步。事实上, 0.25微米以下的CMOS 中，一个时钟周期 内 信号只能达到一小部分芯片面积。 要求长距离、快速交互的体系结构将不 能很好地扩展。 移动终端要求越来越低的功耗网络带宽与C
9、PU性能发展集成电路的重点方向 我国在IC上最落后的是设计能力，应优先发展 IC设计不利因素：系统设计与芯片制造人员分离 要采取跨越方式发展IC产业 新型网络终端需要与PC不同的芯片 重点发展系统集成芯片（SOC）以无线通信、嵌入式信息家电 芯片为主量子密码、量子通信与量子计算机 目前最成熟的是量子密码技术 已实现光纤上50km，自由空间1km的量子 密钥传输 5-10年内可能投入实际应用 量子通信速度比目前通信技术快1000万倍 10年以上时间可建立量子因特网 量子计算机实现上有巨大困难 20年内难以建成量子计算机量子计算适合高度并行问题，不能完全取 代日常运用的电子计算机实现量子因特网要解
10、决若干关键技术 ： 高亮度纠缠光源 量子隐形传态 Bell态测量 纠缠交换 纠缠纯化 信息存贮和处理 量子编码等。-引自郭光灿的报告实现量子计算机的困难 目前的量子器件最多只做到5个量子位 实用量子计算机至少需要一万位 目前没有一种技术具有可扩展性，即没 有找到制作大位数量子芯片的办法 实现量子计算原理上已无障碍，但尚未 掌握制备与操纵量子态的技术量子计算的三项关键技术 量子编码：解决可靠性、纠错、避错、 防错 量子算法：加速运算的关键（主要不靠 器件速度与集成度） Shor算法、Grover 算法 量子硬件：离子阱、超导、核磁共振等 技术，需发现新技术计算机发展趋势 （高性能方向）高端计算机
11、发展趋势 可扩展计算机已成为高端计算机的主流 超级服务器已成为高端计算机的主要产品 采用商品化标、准化部件。 （2-Tier）应用模式从二层向三层或多层发展 非性能因素成为服务器的主要设计考虑 传统的性能价格比让位于总拥有性能价格比 重点从CPU到存储器再到I/O。 直接上网外存设备（NAS）已成为热点 多媒体应用呼唤流处理服务器 专用功能服务器有巨大市场潜力。曙光3000超级服务器用户最关心的计算机特性-SUMA Scalability（可扩展性）系统各部分可独立扩展，系统性能随规模接近线形 增长 Usability (用户友善性）方便使用，人机和谐 Maintainability（可维护性
12、）不论规模和复杂性的大小，系统应该只需要最少的 人工管理 Availability（可用性）即使软硬件发生故障，系统也应该继续满足服务目 标的质量要求 曙光计算机的特色-SUMA特色计算机的好用性 信息技术应当像人们聊天那样自然。语言翻译结合语 音识别、文本语音转换、即时消息利用（instant messaging application ）可以形成多语环境透明通信 。 一个人的问题，不论以何种语言提出，都会自动转到 最具有相关专业领域知识的人那里。这个人可以用自 己的母语回答而答案又会自动翻译成提问者的语言。 视频提示（Cue Video）技术可以从一个小时的视频 节目通过分析提取一组关键画
13、面，就像一组说明故事 情节的连环画。 经验规律: 机器工作5年， 95%的成本是维护成本 VAX crashes 85, 93 Murp95; extrap. to 01 Sys. Man.: N crashes/problem, SysAdmin action Actions: set params bad, bad config, bad app install HW/OS 70% in 85 to 28% in 93. In 01, 10%?系统维护是关键引起系统失效的原因18%54%18%10%应用、电源、网络失效系统管理出错 操作系统失效 硬件失效 A Hybrid-Technolo
14、gy Multithreaded Architecture for Petaflops Computing 64个6英尺高的机柜 每个机柜配置8块主板 每块主板上有64个芯片 每个芯片上包含32个处理器 共100万个处理器Blue Gene最终系统示例图Blue Gene专用机Linux 机群l 超级服务器： l商品化部件 + 软硬件增值 + 通用 l商品化系统，可运行大量应用和商品化软件 l 超级计算机： l商品化CPU + 大量专有软硬件开发 + 科学计算应用 l目的性强，适宜计算密集型应用 l目前运行数据处理、网络服务等商品化应用有困难 l Beowulf类型： lPC + Linux + Freewarel系统以自用和科研为主、价格便宜l通用性和可管理性差高端计算机三种模式宽带INTERNET网与 网格（Grid）计算 （普及计算方向）三种主流网络技术以太网以太网IPIP以太网的演化n 在LAN内10/100 Mbps n 在LAN和MAN内吉位（Gb）以太网n 在 LAN, MAN 和WAN内万兆位（10Gb）以太网因特网的爆炸式增长n 基于IP的业务成为主流n 话音、视频和数据的融合新趋势n 使用“暗”光纤n L
