中国信息科学技术重要科研成果

李国杰

一、       中国信息化与信息基础设施建设

“以信息化带动工业化,以工业化促进信息化”已确定为中国发展经济的基本战略之一。到目前为止,中国政府已确定12项重点信息化工程,称为“金字工程”,包括办公业务资源、宏观政策管理、税收、海关、财政、金融监管、社会保障等信息系统,我国的信息化工程已取得明显成效。近几年来中国的信息化程度明显提高。据世界银行发布的“2003年全球信息技术报告”统计,中国信息化综合指标在全球被统计的83个国家中排名43位,比上一年上升21位,中国的信息基础设施在全球排名35位。就信息基础设施的规模而言,中国已居世界前列。2002年中国固定与移动电话用户均超过2亿户,总用户数达4.2亿户,居世界第一;联网计算机达到2083万台,上网用户超过5910万户,居世界第二位。中国的信息化起点较低,但发展速度很快。五年来全国电话普及率从1997年的8.1%提高到33.7%,互联网国际出口带宽从1997年的18.6Mbps扩大到9.4Gbps。人民群众从信息化建设中得到越来越多得实惠。

中国是一个发展中国家,地广人多,按人均指标衡量,中国的信息化程度与发达国家相比仍有较大差距。中国是在工业化尚未完成的条件下实施信息化建设,所走的信息化道路不同于发达国家,我们特别重视信息化技术对传统产业的改造与提升。为了建立全国统一的信息化指标体系,2002年成立了国家信息化测评中心,并且公布了“中国企业信息化指标体系构成方案”,包括信息采集的信息化手段覆盖率、网络营销应用率、财务决算速度等21个基本指标以及若干评议指标和效能指标。这些指标都是从中国实际出发制定的,是一个面向直接效益与长远效益的信息化指标,对指导我国信息化建设有重要意义。

二、       中国信息产业现状

近五年,包括全球信息产业不景气的近两年内,中国信息产业保持了销售收入每年增长25%以上的高速度蓬勃发展。2002年电子信息产品销售收入达1.4万亿元,居全国工业部门之首,已成为我国第一支柱产业,其产业规模居世界第三,其中彩电、程控交换机产量居世界第一。我国信息产业增加值占国内生产总值(GDP)的比重由1997年的2.3%提高到5.7%。目前营业额超过100亿元的电子信息企业有11家,其中突破600亿元的企业有两家。在长江三角洲、珠江三角洲等地区已形成具有国际竞争力的产业聚集带。中国正在成为全球电子信息产品的重要加工基地。

中国的通信产业从上世纪90年代中期HDJ04型大中容量程控电话交换机打破国外垄断开始,被誉为“巨大中华”的多个通信企业实现了群体性突破。局用交换机的国产比重已达到85%以上。移动通信产品制造实现了从无到有、从小到大的突破,国产移动交换机、基站和手机的国内市场占有率分别达到50%、70%和30%。华为公司已成为在全球有重要影响的通信设备供应商,亚太地区最大的光网络设备供应商,其产品已占领一定的海外市场。中国的计算机产业以联想公司位代表走出了一条符合国情的渐进式创新的道路,即“贸、工、技”发展道路。目前国产微机已经占据国内年销1000万台以上市场的绝大部分。国产服务器与笔记本的市场占有率也有明显提高。

2000年国务院颁布了“鼓励软件产业与集成电路产业发展的若干政策”(即18号文),有力地促进了软件与集成电路产业的发展。近两年软件营业额保持每年30%以上的增长速度,2002年软件产业收入达1100亿元。国家认定的软件产业基地有11家,全国经认定的软件企业超过6000家。中国的软件产品在市场上竞争力强的主要是财务、教育、杀病毒、中文处理等软件,在税务、铁道、海关等许多应用领域也开发了大量应用软件。2002年公布的“振兴软件产业行动纲领”确定我国软件产业的发展目标为:2005年软件市场销售额达到2500亿元,国产软件和服务的国内市场占有率达到60%,软件出口额达到50亿元,形成若干家销售额超过50亿元的软件企业,软件专业人才达到80万人。

近两年国内已建成若干条0.18微米的集成电路生产线,集成电路设计企业已从两年前的100多家增加到400多家。2002年集成电路产量已从1997年的13亿块增加到85亿块。在北京、上海、深圳、无锡、西安、成都、杭州七个城市建立了国家集成电路产业化基地,即集成电路产业的孵化器,我国集成电路的产业链已基本形成。美国、韩国及台湾地区的生产、封装、测试和设计企业纷纷在中国建立独资和合资企业,中国将逐步成为世界IC产业的设计加工中心。到2005年,我国集成电路产量将达到200亿块。预计2010年我国集成电路产量为500亿块,产值将达到2000亿元,占国内市场50%,国际市场5%左右。

三、       中国信息高技术研究的主要成果

1863计划在信息领域的布局

国家支持的高技术研究主要体现为1986年开始的863计划。在第十个五年计划期间(2001年―2005年),863计划在信息领域投入40多亿元,设立计算机软硬件、通信、信息获取和信息安全技术四个主题。计算机主题的主要研究方向是计算机体系结构、下一代互联网、计算机软件、智能化中文信息处理和多模式人机接口以及重大示范应用等。通信主题的主要研究方向是新一代信息网、光通信和个人通信技术等。信息获取主题的主要研究方向是光学对地观测、微波对地观测、先进地对空观测、卫星导航定位、对地观测数据处理分析与空间信息应用等。信息安全主题主要研究方向是国家信息安全基础设施关键技术、安全监管、信息安全示范工程和信息安全新技术等。各个主题主要从事具有前瞻性的关键技术研究。

除以上四个主题外,863计划信息领域一半以上的经费投入集成电路、高性能计算机和高性能宽带信息网等几个重大专项。集成电路专项包括光刻机等关键设备研制、新型半导体材料和CPU及系统芯片(SoC)设计。软件专项重点研制具有自主知识产权的安全可靠的操作系统、桌面办公系统、数据库系统以及各种中间件。高性能计算机专项主要研制面向网格的超级服务器、网格软件,建立示范性的国家网格系统。高性能宽带信息网专项的目标是建立一个适应Internet TV等流媒体实时传输的高性能、广域宽带演示验证网络,称为3Tnet,重点攻克T比特级智能光网络、T比特级WDM光传输,和T比特级路由器等系统设备的关键技术。目前,上述主题和专项研究正在顺利进行并已取得阶段性成果。

2)近几年来通信高技术研究几项主要成果

2.1第三代移动通信标准TDSCDMA

19986月中国电信科学技术研究院代表中国向ITU(国际电信联盟)提出了TD-SCDMA第三代移动通信技术标准,20005月被ITU批准为国际标准。20013月该标准又被3GPP(第三代移动通信伙伴计划)接纳,真正成为全球第三代移动通信网络建设的选择方案之一。为配合TD-SCDMA标准技术规范的提交,电信科学技术研究院及大唐集团做了大量的系统级与链路级仿真工作。

TD-SCDMA标准的成功,为世界第三代移动通信的发展做出了重要贡献,其关键技术智能天线、软件无线电等,已被ITU确定为超3G需要使用的技术。同时,TD-SCDMA作为具有自主知识产权的技术方案,也将为我国移动通信产业扭转专利技术受制于人的被动局面、实现跨越式发展提供了难得的机会。到目前为止,大唐集团等单位已就TDSCDMA标准在二十多个国家申请了三十多项专利。与其它移动通信技术相比,TD-SCDMA具有频谱利用率高,频谱使用灵活、支持不对称业务能力强、系统成本低、前瞻性强等突出优势。预计大唐公司将于2003年底推出TD-SCDMA全套系统设备和终端产品。

2.2高速互联试验网与3G系统

为了发展下一代互联网技术,中国科技工作者已进行了卓有成效的科研攻关,其中最有影响的是863计划支持的中国高速信息示范网(CAINONET)和国家自然科学基金会支持的中国高速互联研究试验网(NSFCNET)。CAINONET的主要目标是利用自行研制的光交叉连接设备、光分扦复用设备、核心路由器和网管系统,建立一个连接北京地区部分重要科研院所和著名高校(共13个试验节点)的基于IPDWDM的示范网。此项目总投入超过1.6亿元,由大唐电信、巨龙通信、武汉邮电科学院、清华大学、北京邮电大学等40多家单位共同承担任务。经过两年多努力,于20019月底完成任务,通过验收。CAINONET是目前全球为数不多的大型宽带高速试验示范网之一,主要用自己的技术研制成功全光通信网络、高速核心路由器等关键设备和网络管理系统,研制成功1632)×10Gbps SDH波分复用系统。此项研究共申请了50多项专利,标志着我国已全面掌握高速信息网络的关键技术。另一个中国高速互联研究试验网NSFCNET由清华大学等单位承担,于20009月开通试运行。NSFCNET传速率为2.510Gbps,并实现了与国际下一代互联网(Internet2)连接。

我国已于20006月成功开发了适应国内市场需求的实用化第三代移动通信(3G)现场实验系统,包括符合国际标准的WCDMATD-SCDMACDMA2000三种无线入网、核心网与终端设备,此项目共申请了近百项国际国内专利。3G系统今后若干年将在中国得到推广。近两年基于以太网技术的无线局域网(Wireless LAN)在我国迅速发展,已成为3G技术的主要竞争者。

2.3光电子器件

我国光电子技术具有较好基础,中国科学院在光电子领域由五个研究所,现已形成光电子研究集团。武汉邮电科学院在光纤通信技术方面具有国际竞争力。在863等国家科研计划支持下,我国光电子技术发展迅速,武汉、长春、广州等城市都在建设“光谷”。

我国同步数字序列(SDH)光收发模块已达到国际上同类产品技术指标;密集波分复用器、光环形器、光隔离器和CATV光发射/接收机已开始进入规模生产。2000年高性能量子阱GaInNAs/GaAs激光器等光电子器件研制成功,使我国进入国际上低维材料量子阱与量子点器件研究的先进行列。国产的DWDM系统已形成产业,广东、浙江等几个省已开始16×2.5Gb32×2.5Gb DWDM系统的建设。我国已在北京、武汉、石家庄、深圳、长春和上海建立了6个光电子成果转化产业基地,已批量生产10多种光通信器件,占国内市场30%,半导体激光器已进入国际市场。

3) 近几年来我国计算机与IC高技术研究的几项主要成果。

3.1高性能计算机和网格研究

中国从上世纪50年代末就开始研制计算机,40多年来一直没有间断,高性能计算机的研制已具有国际先进水平。澳门十大赌场网上注册是我国最早研制大型通用计算机的单位,被誉为我国计算机事业的摇篮。近几年中科院计算技术研究先后研制成功的曙光一号多处理机、曙光1000大规模并行机、曙光2000和曙光3000超级服务器,已通过曙光公司的销售到生物信息、石油、气象、税务、学校等许多行业,带动了我国高性能计算机产业。曙光超级服务器已累计销售200多套,总计算能力已达每秒几十万亿次。2001年初研制成功的每秒4000亿次的曙光3000主要用于水稻基因组的测序分析,为我国科学家在世界上率先绘制水稻基因组框图与精细图作出了重要贡献。2003年研制成功的曙光4000L海量信息处理系统,峰值速度超过每秒4万亿次,存储容量超过200TB。除澳门十大赌场网上注册外,国家并行计算机工程中心、国防科技大学是我国研制高性能计算机的主力军。国家并行计算机工程中心2000年研制的神威并行机分别安装在国家气象中心和上海国家高性能计算中心,峰值速度达每秒3840亿次。国防科技大学1997年研制成功的银河-III并行巨型机采用可扩展分布式共享存储并行处理结构,峰值速度已达到每秒130亿次浮点运算。这两个单位科研与工程水平高,都有能力研制每秒10万亿次以上的并行机。

我国从上世纪末开始就启动网格技术研究,863计划支持的在北京、上海、长沙等地建立的国家高性能计算环境是网格计算的初级实验,实现了远程登陆与某些单一印象功能。近两年网格计算越来越受到重视,863计划启动了一个网格专项,旨在建立聚合性能10万亿次左右的国家高性能计算网格示范系统,计划在生物信息、国土资源、工业设计等部门建立几个示范性的应用网格。澳门十大赌场网上注册开展的织女星网格研究在国内外已有一定影响。织女星网格不仅包括面向网格的超级服务器、网格浏览器、几种网格协议研究,还包括语义与知识网格研究,已率先在CACM等重要国际刊物上发表了十几篇有关知识网格的论文,引起国际同行重视。

3.2汉字识别技术

不同于由26个字母组成的英文,用计算机输入输出和识别上万个不同的汉字是在中国推广计算机应用的难题。中文的印刷体识别(OCR)和手写识别是编码输入以外的重要中文输入技术,我国在中文OCR和汉字手写体输入方面已居国际领先水平。中国科学院自动化所1985年就开发成功国内首套联机手写识别软件,随后成立了专注汉字识别技术的汉王科技公司。十多年来该软件已从1.0版升级到10.0版。目前推广的10.0版能完全识别手写行草体汉字和包含一万多汉字的大字符集,使手写输入轻松自如,微软、摩托罗拉等跨国达公司都采用了汉王科技的技术。印刷体汉字识别软件在大规模录入中差错率低于万分之一。

3.3智能化农业信息技术应用示范工程

在科技部领导下,从1990年开始863计划开展了智能化农业示范工程,以5个高水平的农业专家系统开发平台为核心,在知识获取、模型构建、知识表达、推理等关键技术突破的基础上开发了156个“高产型”、“经济型”、“优质型”实验农业专家系统,涉及粮食、果树、蔬菜、畜牧、水产等多个领域,先后在北京、吉林、安徽、云南等20个示范区示范应用。据1998年-2000年两个农业年度统计,示范面积3796万亩,辐射推广面积8504万亩,增收节支达几十亿元,取得显著的经济效益与社会效益,特别在云南等技术相对落后的地区效益十分明显。在技术落后地区如何推广高技术,我国的农业专家系统可能对第三世界国家有所借鉴。

3.4 CPU等核心技术研究

众所周知,我国信息领域的核心技术如CPU芯片、操作系统长期控制在Intel、微软等外国公司手里。从本世纪初开始,我国开始向CPU等核心技术进军,经过两年努力已取得一些初步成果。中国科学院澳门十大赌场网上注册于20028月研制成功我国第一款有自主知识产权的通用CPU――龙芯一号CPU芯片。此芯片与MIPS CPU兼容,具有64位浮点部件,性能达到国外90年代中后期通用CPU水平。在设计中申请了十多项专利,特别是有防恶意攻击的硬件支持,在我国电子政务等领域有广阔应用前景。峰值速度每秒20亿次运算的龙芯2CPU预计2004年初可研制成功。再经过几年努力,我国在CPU设计核心技术上有望达到国际先进水平。除龙芯CPU外,中芯微系统公司、北京大学已推出了方舟系列和众志系列32位嵌入式系统芯片(SoC),有望在网络终端计算机等方面占领市场。

上世纪90年代中期,中国曾开发过有自主知识产权的UNIX操作系统COSIX,但在市场推广上并不成功。近几年来,Linux的兴起为我国发展操作系统提供了难得的机遇,科技部已支持一些企业开发基于Linux的桌面办公系统。一些企业和科研机构已开发了适合不同应用的嵌入式Linux或其他嵌入式操作系统,与Linux应用兼容的高安全性服务器操作系统也正在开发之中。几年后我国缺乏自主操作系统的局面将有所改观。

四、信息科学基础研究的某些成果

我国的基础研究主要通过国家自然科学基金和科技部重点基础研究计划(973计划)支持。从1998年开始,先后有17项信息科学基础研究列入973计划,包括高性能算法,图象、语音、自然语言理解与知识挖掘,数学机械化与自动推理平台、网络环境下海量信息组织与处理,大规模科学计算,超高密度快速光信息存储,量子通信与量子信息、基于Agent的软件中间件、虚拟现实等。近几年来我国信息科学基础研究已取得不少有重大影响的成果。

1)软件理论研究

   中国最早从事软件研究的学者多数是数学家,在软件基础理论方面有较深的造诣,取得了一批有国际影响的科研成果。

1.1可执行的时序逻辑语言与XYZ系统

容易编程的软件往往执行效率不高,曾经风行一时的函数型语言由于效率不高在市场上未取得成功。中国科学院软件研究所20世纪90年代初开创性地提出并实现了可执行的时序逻辑语言与XYZ系统,较好地解决了易编程和执行效率的矛盾近年来XYZ系统在实时控制、多媒体等领域的应用以及软件体系结构设计的可视化工具等方面有新的进展XYZ系统是计算机编程理论的重大突破,受到国际同行的高度赞誉。

1.2区段演算理论

实时系统的形式化是软件理论的一大难题。1991年,中国科学院软件研究所研究人员和C.A.R. Hoare等教授提出并发表了关于作为实时系统逻辑方法的区段演算的论文,在国际上引起较大反响。区段演算是描述和推理动态系统实时行为的一种模态逻辑,它是区间时态逻辑在连续时间条件下的一种扩展,现已成为实时系统设计、应用及数学支持工具的新模型,得到国际同行的公认,已带动了国际上十几个国家的科学家参与这一方面的研究.

1.3形式语义学

进程代数是研究计算机网络、远程通信等并发现象的形式化方法,现已成为计算机科学基础研究的一个热点。科学院软件所设计并实现了通用进程代数验证工具PAM1993年在此基础上研制成功迄今世界上唯一能直接对消息传送进程进行推理的工具VPAM,在十几个国家得到应用。该所与英国Hennessy教授合作提出并独立发展了符号互模拟理论推动了模态逻辑和实时进程的研究。清华大学利用拓扑学工具,引入近似互模拟与互模拟极限的概念,初步建立了并发程序的近似正确性与无限进化的理论。北京航空航天大学在并发计算模型的翻译理论方面做出了开创性工作,提出并开发了基于语法制导的翻译技术和证明翻译程序正确性的方法,还提出了关于形式系统序列、序列的极限以及过程模式的理论,建立了软件规约的修正演算技术。

2)人工智能研究

2.1问题求解与人工神经网络理论

清华大学在人工智能问题求解理论中,在传统符号主义建模方法的基础上,提出了不同粒度的商空间求解模型和分层递阶的求解方法,在此基础上提出了不同层次信息的合成技术;根据神经网络学习新的几何表示,提出一种从上而下的构造性学习方法,与多粒度计算的商空间理论结合,能有效地处理大数据量、复杂问题的学习与分类。中科院半导体研究所独辟蹊径,创造了采用高维几何学来描述和设计人工神经网络,在神经网络计算机理论研究、设计和转化等各个方面都获得了很大成功。北京系统工程研究所近几年在计算智能(包括模糊逻辑、进化计算和神经计算)研究方面获得了较大进展,提出了过程神经元网络概念,理论和应用都取得了较出色成果

2.2知识处理理论

自然语言理解是是人工智能的主要困难之一。中国科学院数学研究所在知识工程和基于知识的软件工程方面作了系统的、原创性的工作,设计并主持研制了知识工程语言TUILI系统和大型专家系统开发环境《天马》, 并首次把异构型分布式人工智能和机器辩论引进人工智能领域;研制出基于类自然语言理解的知识自动获取方法,在只对书本语言作很少改动的情况下由计算机自动获取并整理含于资料中的知识,最后自动生成所需的应用软件,从而形成了一条基于知识自动获取的软件快速生成新技术路线;另一个有趣的成果是研究出能把中文童话故事自动转换成动画片的计算机动画全过程自动生成技术,在艺术创造领域内推进了人工智能。总参61研究所开展了知识发现的机理研究,提出了“控制流/数据流图对”方法和能够统一表示、处理随机不定性和模糊不定性的云模型,并把这一创新的模型应用于数据挖掘和知识发现等新领域,取得了出色的效果。澳门十大赌场网上注册率先提出建立“国家知识基础设施”,并已构建包含300多万条知识的多领域专业知识库,在自然语言处理、农业信息系统等方面开始应用。

3算法研究

算法和计算复杂性是计算机科学的核心。国内有一批学者为寻求NP困难问题(计算时间随问题规模按指数函数增长的一类难解问题)的有效算法(包括近似算法)付出了艰苦努力。高性能算法973项目在集成电路设计、电力调度、交通、证券和信息查询等多个领域,提出一批既有世界先进水平又有较高实用价值的高性能算法,其研究成果正在一些重点工程领域推广应用。

澳门十大赌场网上注册先后投入约400人年的科研力量,历时六年,在数字视频广播关键技术上取得了全面的突破性进展。该研究组提出的"快速鲁棒的静态Sprite生成算法"被国际MPEG-4标准采纳,20027月该研究组提出的"结合率失真优化理论的码率控制算法又被国际JVTJoint Video Team)标准接受;在中国手语识别方面,该研究组首次研究了大词汇表(1000以上的汉语词汇)的手语识别问题,正确识别率达92%-95%。在手语合成方面,利用虚拟人合成技术合成了3163个基本中国手语词汇的手势,在全世界首次实现正常人与聋哑人的实时交流系统。

中国科学院软件研究所开发成功并行数学软件库、广义本征值问题并行解法包PQR等,这些软件产品已在美国、欧洲、日本等20家大学和科研机构应用。他们还开发了大型油藏数值模拟并行解法器及并行软件PRIS,在国产高性能计算机上研制了百万结点精细油藏模拟等分布式并行数值软件,具有重大经济效益

4)量子计算与量子通信研究

量子信息技术可实现经典信息技术无法做到的新信息功能,是当代信息科学的前沿。中国科技大学在解决量子信息技术的若干关键性问题上取得重要进展。该校科研人员首创概率量子克隆原理,即以某概率精确地克隆线性无关的量子态集,推导出最大克隆概率,为有效提取量子信息提供新途径,并采用线性光学方法在实验上研制成功量子普适克隆机。他们还首创量子避错编码,其原理已被美国学者在实验上证实,为克服量子信息技术实际应用的主要障碍――消相干问题开辟了新的方法;提出新的量子信息处理器,有希望成为实用量子处理器。清华大学的学者提出了基于量子逻辑的自动机理论,证明了自动机的一些基本性质依赖于所基于的逻辑的分配律,从而揭示了基于量子逻辑的自动机理论与经典自动机理论之间的一些本质区别。

5)信息安全理论研究

我国科技工作者完全自主地研究实现了我国的信息密码算法与体系,密码学研究已进入国际前列。信息安全国家重点实验室等单位在信息安全、密码学研究等方面已取得一系列重大成果。代数方法是研究现代密码系统的重要方法之一,我国学者主要利用代数方法对密码问题进行了深刻刻画,这些成果对认证码、序列密码和公钥的设计和分析提供了重要的理论。我国在网络入侵检测、防病毒软件、信息内容安全等方面的研究也取得了较大进展。

五、我国信息科学技术研究的成功与不足

  我国政府对信息技术高度重视,在国家高技术研究计划中,信息技术研究的投入最多。信息领域国家重大科研任务的选题既考虑国家战略需求又重视对产业化的促进,军民结合、以民为主。根据我国国情和有限的投资强度,科研人员按照“有所为有所不为”的原则凝练科研目标,注重科研成果的技术转移和产业化。遵循“顶天立地”的原则,科研人员在科研过程中注重创新,也开始关注专利与技术标准。因此,我国的信息科学技术研究在近几年里取得了重大进展,特别是在程控交换机、第三代移动通信、高性能计算机、中文信息处理、高清晰电视等方面取得了世人注目的成果,对我国信息产业的快速发展起到了明显的推动作用。

但是,中国是一个发展中国家,我国在信息科学技术研究开发方面的全部投入少于本领域一个跨国公司的投入。我国的科研体制与机制还有许多弊病,科研和经济相脱离的现象仍很严重,科研成果的转化率不到20%。科研人员的创新意识不强,原创性的成果较少,目前信息领域在中国申请的发明专利80%以上仍属于外国公司。由于技术水平和语言障碍等原因,除移动通信、多媒体等少数技术外,我国科技人员参与国际技术标准研究讨论的还不多。在信息化的过程中,不注重效益的风气还比较严重,东西部的数字鸿沟还在扩大。我国政府、企业和科研人员已经认识到上述问题并正在着手解决。我们相信,在今后的10-20年,我国的信息科学技术和信息产业必将更快更健康的发展,为人类的文明进步做出更大的贡献。

 

致谢:在本文写作过程中,唐稚松院士、周巢尘院士、林惠民院士、李未院士、张跋院士、何新贵院士、陆汝钤院士、应明生教授、顾钧教授、孙家昶等教授等

学者提供了各自研究成果介绍,特表示感谢。

参考文献 (略)

 

―――科学出版社2003年出版“中国科学进展”中的一章

 

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