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信息技术史

一般认为,信息技术是指对信息进行采集、传输、存储、处理、表达的各种技术之和。主要包括通信技术、计算机技术、网络技术、广播电视、传感技术、电子元器件、数字技术、智能技术、信息应用技术等。信息技术的发展日益体现出网络化、数字化、智能化、集成化、平台化、泛在化、融合化特征,数字化转型、科研信息化、生物信息学、NBIC会聚技术等信息技术广泛而深度的应用与融合,使人类社会进入信息时代。信息技术的核心是对信息的传输、存储和处理,为此予以重点介绍。

通信技术的发展

通信技术经过漫长的发展,从古代通信技术发展到近代的有线电报通信体系,再到现代通信技术,无线电、电话、微波通信、卫星通信、光纤通信、移动通信、信息高速公路等构成现代社会的庞大通信体系。卫星通信、光纤通信和互联网是典型代表。

卫星通信

卫星通信系统主要由通信卫星、地球站及测控跟踪系统等组成,通信卫星主要是地球静止轨道卫星。一颗静止轨道通信卫星大约可以覆盖地球表面的40%,三颗静止轨道通信卫星可以实现除两极部分地区外的全球覆盖,在覆盖区内的任何地面、海上、空中的通信站能同时相互通信。1958年美国发射世界上第一颗试验通信卫星,1965年,美国发射了世界上第一颗实用商业通信卫星“晨鸟”(Early Bird),后改称为“国际通信卫星-Ⅰ(Intelsat 1)”,它开始为北美和欧洲之间提供通信服务,这标志着卫星商用通信时代的到来。1984年,中国发射第一颗试验通信卫星,1986年成功发射实用通信卫星,1988年发射4颗通信卫星,1990年又发射了第5颗通信卫星,构成了中国卫星通信网。2000年,采用东方红三号卫星平台发射的一颗通信卫星和两颗北斗导航试验卫星均顺利升空,标志着中国通信卫星发展到了一个新阶段。20世纪后期,中国开始发展卫星导航系统,形成三步走发展战略:2000年,建成北斗一号系统,向中国提供服务;2012年,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;2020年,建成北斗三号系统,在轨运行55颗导航卫星,向全球提供服务。继美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的GLONASS卫星导航系统、欧盟的伽利略定位系统之后,中国成为了世界上第四个拥有独立卫星导航系统的国家或地区。

卫星通信已经成为通信体系的骨干力量,21世纪以来来卫星通信技术发展很快,中低轨道的移动卫星通信系统和20世纪80年代兴起的甚小口径天线地球站(very small aperture terminal;VSAT)系统等已经得到广泛应用。

光纤通信

光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤(光导纤维)作为传输媒介的一种通信方式。1964年,高锟(1933~2018)提出在电话网络中以光代替电流,以玻璃纤维代替导线,进行通信。1966年,高锟发表了题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,首次提出光导纤维在通信上应用的基本原理,提出以石英玻璃纤维作长程信息传递,将带来一场通信革命,并明确指出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝/千米时,光纤维通讯就会成功。1976年,美国在亚特兰大安装了商业通信系统,传输距离10千米,标志着光纤通信从研究进入到实际应用阶段。光纤通信的出现和发展不仅为通信事业开拓了新局面,也为互联网的大发展提供了技术基础。高锟被誉为“光纤通信之父”,他因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面取得了突破性成就”,获得2009年诺贝尔物理学奖。

通信技术的发展日新月异,新技术不断出现,例如21世纪兴起的量子通信以高效率和绝对安全等特点而日益引起人们普遍关注。

计算机技术的发展

纵观计算机的发展历程,大致经历了机械计算机、机电计算机、电子计算机和新一代计算机四大阶段。

机械计算机与机电计算机

石子、竹片、木棍都是人类早期的计算工具,英语“计算”一词(calculate)就来源于罗马词汇“卵石”。中国古人发明的算盘在古代乃至近代都是先进、便利的计算工具。

1834~1835年,英国数学家C.巴贝奇(Charles Babbage,1791~1871)设计出“分析机”,其基本原理和功能与现代计算机基本相同。真正实用并产生社会影响的计算机是美国工程师H.霍勒里斯(Herman Hollerith,1860~1929)发明的电动制表机,用于美国1890年人口普查的数据处理。电磁继电器等电工技术的发展启发人们开始研制机电计算机,取代运算缓慢的机械计算机。德国工程师K.朱赛(Konrad Zuse,1910~1995)、美国的贝尔实验室、哈佛大学的艾肯(Howard Hathaway Aiken,1900~1973)以及IBM公司研制过机电计算机。但是因继电器开关速度的限制,机电计算机的运算速度无法大幅提高,电子计算机出现之后,机电计算机就逐渐退出历史舞台。

电子计算机

自从世界第一台电子计算机ENIAC问世以来,电子计算机发展到今天已历经四代:第一代电子管计算机(1946~1959年),第二代晶体管计算机(1959~1964年),第三代集成电路计算机(1964~20世纪70年代初),第四代大规模和超大规模集成电路计算机(20世纪70年代初至21世纪),这里对计算机发展阶段的划分,主要由决定计算机性能的逻辑元器件的发展变化为依据,这四代计算机都是冯·诺伊曼机。此外,集成电路的发展也极大提升了信息存储能力。从20世纪80年代起,人们开始研制新型计算机,例如智能计算机、生物计算机、量子计算机等,由于划分方法与前面有所不同,因此我们把它们统称为新一代计算机。

新一代计算机

包括智能计算机、生物计算机、量子计算机、超导计算机等。从20世纪80年代甚至更早,人们就开始研制超越冯·诺伊曼结构的新型计算机。日本的第五代计算机10年计划(1982~1991),尽管没有成功,仍可视为拉开了新一代计算机研发的序幕。人工智能计算机的研制仍处在探索之中。生物计算机是以生物芯片代替半导体硅片的计算机,它利用蛋白质的开关特性,用蛋白质分子制成生物芯片。2001年由以色列魏茨曼研究所首先完成了基于DNA分子的自动机模型,2004年中国科学家也研制出生物计算机,但还处于探索阶段。量子计算机是实现量子计算的计算机,2016年美国科学家研制出世界上首台可编程量子计算机,中国科学家分别于2020年和2021年成功构建量子计算原型机“九章”和超导量子计算原型机“祖冲之号”,使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。日本、德国等国家也相继研发出量子计算机。量子计算机成为发展最快的新一代计算机。

国际互联网的发展

继交通网、水网、电网、电话网之后,国际互联网成为对人类社会产生巨大影响的技术网络,综合多方调查,到2021年底,全球网民数量已近50亿人,中国网民人数有10.32亿。基于国际互联网的电子邮件、信息检索、电子商务、电子政务等已经成为人们日常生活、学习和工作的一部分。从历史起源上看,国际互联网的前身是成立于1969年12月的阿帕网(ARPANET),ARPA是美国国防部高级研究规划署的简称。国际互联网的发展史内容繁多,其中以分组交换与分布式网络、TCP/IP协议、HTML与万维网、浏览器和电子邮件等5件重要事件的影响最大,通过它们可以概括地了解国际互联网的发生和发展。

阿帕网诞生的关键:分布式网络、分组交换与中介信息处理器

保持通信畅通十分重要,对于军事领域来说尤其如此。美国兰德公司的P.巴兰(Paul Baran)在20世纪60年代初中期提出分布式网络与分组交换技术,以最大限度地保持通信正常工作。在分布式网络中,无中心控制点,各网点都有多余途径通往相邻点,这样任一点遭破坏,信息仍可绕过它进行传送。分组交换技术就是把传送的信息拆成若干个分组(Packet),并都注有标识和编号,这些分组可以各自为政、见缝插针地传送到目的地,然后再根据编号重新组装起来。如果有的组块传丢了,发出站就再补传一次,用纠错重发的规则来保证信息传输质量。几乎与此同时,英国国家物理实验室的D.戴维斯(Donald Davies,1924~2000),也独立提出了同样的总体概念和设计,现在使用的交换的单位分组(packet),就是戴维斯首先提出的。此外,美国加州大学洛杉矶分校的L.克莱因罗克(Leonard Kleinrock,1934~ )对分布式网络的发明也做出过贡献。

1967年,美国国防部的高级研究计划署信息处理技术处(IPTO)处长B.泰勒(Bob Taylor,1932~2017)设想把三台不同地区、不同型号的计算机联成网络,并请L.罗伯茨(Larry Roberts)做总设计师。罗伯茨确定了实现分组交换技术的“中介信息处理器”(Interface Message Processor),并由马萨诸塞州的BBN(Bolt,Beranek and Newman)公司研制完成,后来“中介信息处理器”发展成为路由器。

1969年,通过中介信息处理器,加州大学洛杉矶分校、斯坦福研究院、加州大学圣巴巴拉分校和犹他大学的计算机实现联网,1969年12月正式投入运行,在1972年10月的国际计算机通信大会上,连接美国各地40台计算机的阿帕网演示获得巨大成功,从此阿帕网正式登上历史舞台,这就是国际互联网的起源。

TCP/IP协议

传输控制协议(TCP)和网络间协议(IP)是计算机网络极为重要的技术基础,它们是由V.瑟夫(Vint Cerf)和R.E.卡恩(Robert Elliot Kahn)合作发明的。无论什么类型的计算机,只要上网并遵守TCP/IP协议,就能互联互通,读懂彼此的信息,共享资源。1974年,TCP协议的第一份报告发表,4年后TCP改为TCP/IP,1982年,美国国防部宣布TCP/IP为国防部使用标准,翌年,阿帕网正式转换成TCP/IP系统。TCP/lP协议把阿帕网、NSFnet(国家科学基金会网)和USEnet(北卡罗来纳大学与杜克大学的研究生创建的网络)联在一起,这时的阿帕网称为ARPA-Internet,后简称Internet,即国际互联网。1990年,阿帕网完成使命,退出历史舞台。

万维网、浏览器、电子邮件

万维网(World Wide Web;WWW)的出现和实行把网络资源的利用推进到了一个新阶段。它改变了人们利用网上信息的方式,不再是“先传输获取,后阅读利用”,而是直接点击你感兴趣的网上内容就能阅读或利用,即允许用户通过上网计算机,存取另一台联网计算机上的信息。万维网是Internet上那些支持WWW协议和超文本传输协议HTTP(Hyper Text Transport Protocol)的客户机与服务器的集合,通过它可以存取世界各地的超媒体文件,包括文字、图形、声音、动画、资料库、以及各式各样的软件。万维网是英国科学家T.伯纳斯-李(Tim Berners-Lee,1955~ )于1989年设计开发的,1991年登陆互联网以来发展非常迅速,因此万维网几乎成了互联网的代名词。

第一款浏览器是伯纳斯-李发明的,20世纪90年代风靡全球的浏览器马赛克(NCSA Mosaic)是NCSA(伊利诺伊大学的国家超级计算中心)的M.安德里森(Mark Andreessen,1971~ )创编的,后来出现了微软IE浏览器、谷歌chrome浏览器,中国有360安全浏览器、QQ浏览器等。电子邮件更是互联网得到普及的一项重要技术和服务,至21世纪初,许多网络服务商仍然把提供免费电子邮件服务作为经营的基本策略之一。

综上所述,在互联网发展过程中,以上五大技术的发展和应用发挥了决定性的作用,它们是技术创新与服务创新相结合的典范。

人工智能的发展

1956年8月,在美国汉诺斯小镇的达特茅斯学院举办一场探讨崭新研究领域的研讨会(史称达特茅斯会议),在为期两个月的会议中,J.麦卡锡(John McCarthy,1927~2011)、M.闵斯基(Marvin Minsky,1927~2016)、C.香农(Claude Shannon)、A.纽厄尔(Allen Newell,1927~1992)、H.西蒙(Herbert Alexander Simon)等科学家探讨机器模仿人类学习、认知等智能,并用人工智能命名这一领域,1956年被誉为人工智能元年。

人工智能分强人工智能与弱人工智能,区别在于是否拥有意识。总体而言,2022年,人工智能处于弱人工智能时代,强人工智能是否可以实现、是否应该实现存在争议,随着人工智能的发展,其风险与伦理问题日益受到关注。人工智能的发展经历了三个主要阶段,从时间上前后有交叉重叠,相应形成三个主要流派:符号主义,连接主义和行为主义。

符号主义进路:从自动定理证明到专家系统

符号主义(symbolicism),又称为逻辑主义(logicism)、计算机学派(computerism),是基于逻辑推理的智能模拟方法,认为人类思维主要是按照推理和猜想规则对'词’(words)进行的操作,据此提出了基于知识与经验的推理模型,因此符号主义方法也称为知识驱动的方法。自动定理证明是符号主义的思想源头和理论基础,自动定理证明是用计算机自动地进行推理和证明数学的定理。17世纪莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)创立数理逻辑时,就产生了用机器证明数学定理的设想,电子计算机问世之后,加快了这一设想的实现。1956年,西蒙(H.Simon)、A.纽厄尔(Allen Newell,1927~1992)和J.C.肖(John Clifford Shaw,1922~1991)创编第一个人工智能程序“逻辑理论家”,证明了怀特海和罗素的《数学原理》中前52个定理中的38个,并在达特茅斯会议上做了演示;美籍华裔数理逻辑学家王浩(1921~1995)在1958年创编程序,在计算机上证明了《数学原理》中一阶逻辑的全部定理;1976年美国数学家K.阿佩尔(K.Appel)与W.哈肯(W.Haken)用计算机完成了四色定理的证明;1978年,吴文俊提出几何定理机器证明的新方法(国际上称为吴方法);2005年,英国的A.沃伦可夫(Andrei Voronkov)研制的吸血鬼(Vampyr)证明器代表了逻辑主义定理证明的高峰。在20世纪80年代之前,符号主义主导着人工智能的发展,也被称为第一代人工智能,尤其是专家系统的成功开发与应用,为人工智能的应用做出重大贡献,即使其他学派出现之后,符号主义仍然是人工智能的主流学派之一。

连接主义进路:从神经网络到深度学习

连接主义(connectionism),又称为仿生学派(bionicsism),其认为人工智能源于仿生学,借鉴脑科学,从神经元开始研究神经网络模型和人脑模型,开辟了人工智能的一条新进路。20世纪60年代前后,连接主义研究以感知机模型(Perceptron Model)为代表的脑模型,感知机模型是模拟人脑神经元工作原理的一种简单的人工神经网络,由于当时各种条件限制,而没有得到发展。直到美国加州理工学院物理学家J.J.霍普菲尔德(J.J.Hopfield)于1982年提出单层反馈神经网络,1984年研制出网络模型的电路,用硬件模拟神经网络,连接主义开始兴起。G.E.辛顿(Geoffrey Everest Hinton)等人于2006年发表深度信念网络(deep belief network),深度学习的优势显现,掀起研究热潮。2016年,运用深度学习技术的人工智能系统阿尔法围棋(AlphaGo)4︰1战胜世界围棋冠军李世石,引起轰动。2017年,新版程序阿尔法围棋零(AlphaGo Zero)从空白状态学起,在无任何人类输入的条件下,它能够迅速自学围棋,并以100︰0的战绩击败“前辈”。连接主义也被称之为第二代人工智能,以数据驱动为主,经过20世纪90年代的发展,到21世纪初进入高潮,有替代符号主义之势。当然,深度学习也存在诸多缺陷,例如,对数据质量过于敏感,深度学习的“黑箱”性质也导致其推广困难,人工智能的春天尚未来临。

行为主义进路

行为主义(actionism),又称进化主义(evolutionism)或控制论学派(cyberneticsism)。行为主义主要源于控制论,基于感知—行动的行为智能模拟方法,目标在于预见和控制行为。维纳(Noebert Wiener)和麦克洛(Mc Cloe)等人提出的控制论和自组织系统以及钱学森等人提出的工程控制论和生物控制论,产生了广泛的影响。早期工作主要是模拟人在控制过程中的智能行为,如对自适应、自组织和自学习等系统的研究。经过20世纪六七十年代的发展,到20世纪80年代,智能控制和智能机器人系统问世。行为主义的代表作首推R.布鲁克斯(Rodney Brooks,1954~ )的六足行走机器人,它是基于感知-动作模式的“控制论动物”,其特点是自下而上的与环境互动,而非来自复杂的自上而下的智能设计。行为主义依赖传感器、控制器等硬件,虽然已经研制出不少种类商用机器人,但是进一步发展面临许多挑战,包括如何克服真实环境训练的局限、如何设计出更有效的底层规则以便涌现出高级智能系统等。

人工智能的发展不是一帆风顺的,曾经受到知识、算法、算力、数据的不足而陷入低谷。21世纪,人们正在探索新一代人工智能,融合知识驱动和数据驱动等优点,充分利用知识、数据、算法和算力等要素,充分考虑风险治理与伦理治理,发展安全、可信、可靠、可扩展的、以人为本的人工智能。

信息技术是种类繁多、发展迅速、影响广泛的技术,上述仅对通信、计算机、互联网和人工智能的发展做简要概述,可大致反映其发展概貌,信息技术的其他领域可参见有关条目。

扩展阅读

  • 胡守仁.计算机技术发展史(一)(二).长沙:国防科技大学出版社,2006.
  • 吴鹤龄.ACM图灵奖-计算机发展史的缩影(1966-2006).3版.北京:蓝色畅想出版社,2003.
  • WILLIAMS M R.A history of computing technology.2nd.ed.Piscataway:IEEE Computer Society Press,1997.
  • 李 T B.编织万维网.张宇宏,萧风.上海:上海译文出版社,1999.
  • 赖尔登 M.晶体之火——晶体管的发明及信息时代的来临.浦根祥.上海:上海科学技术出版社,2002.
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