广播和计算机技术的发展动向.doc

综述 叮-一电子、通信、广播和计算机技术的发展动向张煦电子工程系摘要本文简单介绍近2年国际上电子、通信、广播和计算机技术的突出进展一其中电子技术着重于固态集成电路、微处理器与存贮器以及微波集成，通信技术包容光纤通信,数据通信、综合亚务网和个人通信网;广播技术包括高请晰电视、有线电视和数字电音广播;计算机技术着重于个人计算机与工作站、大型计算杭和计算机软件。关键词集成电路，通信，广播，计算机中图法分类号TN91, TN93, TN94O引言 国外高级期刊常常每年述评各自专业的技术进展并预测其发展趋向.IEEESpectrum最为突出，总是在每年1月号，对过去1年内电气领域的技术成就，由编辑部作一综述，并邀请有关专家分别发表意见，供读者参考.本文试图将近2年国际上电子、通信、广播和计算机技术的动向，作简单分析，希望能使国内同行们在各自工作过程中有所借鉴.1电子技术1,1固态集成电路(IC (1)硅片Si仍在发掘潜力，提高运行速率，各方面继续改进，成本较低，可望保持对砷化稼GaAs的优势，而且应用范围扩大。 (2)芯片上线宽缩小至亚微米区(0,25 m和O,lwm), (3)芯片有降低电源电压、减小功耗的趋势.1991年从5V减至3,3 V，仅需1-.3节N i-Cd电池.1992年，主要厂家提供的数字芯片，包括DRAM, GA, DSP都用3,3 V或更低电压，例如64 Mblt的DRAM已用2,5 V，线宽0.2 Nm的256 Mbit DRAM预计最佳电压为1,8 V, 收稿日期:1993-09-21张煦:电子、通信、广播和计算机技术的发展动向 (4) IC的封装正在缩小，薄小轮廓封装(ESOP)的厚度原为lmm,现正缩小至0, 45mm,两片叠装为1 mm.改善电容元件和改善互连技术是缩小封装的关键. (5) Intel1.991年新的i860XP有2,55X 10“个晶体管，并有32 Kbyte的高速缓冲存贮器(cache)，是当年最高集成度的商品芯片，处理速率100 Mflops，可用于高挡病处理的计算机.一一. 、(6) IBM 1992年把60 GHz双极管与。、25 C%IOS器件集成在一芯片上，实现高速率的BiCMOS.又制成700 nm X 150 nm n一路MOSFET面积为以前晶体管的120，用以积成4Gbit的DRAM,_- (7) Sematech生产直径200 nm的圆片(Wafer)，线宽0;35-wrn, 侣最近发现，当Si受到激光器照射时，发出红光和桔黄光.如S受到适当的外加电流，有可能发出激光，这就导致极其重要的作用，Si材料不仅用于微电子集成，还可能用、于光电孚领域.微处理器和存贮器 0 1)减简指令集计算(RISC)微处理器芯片1991年开始与复杂指令集计算(C IS C)竞争.例如IBM的RS6000, MIPS电84000，都利用50 MHz的RISC，与Intel的50MHz486微处理器同时出现在市场. 一( 2) RISC微处理器的工作频率于1992年升至200 MHz, DEC的Alpha芯片21064就是按时钟频率200 MHz设计的，它们达到150 SPEC marks和最高速率叨0 MIPS二 ( 3 ) Intel的Pen而m胜过80486，是用线宽0.8 wm的CMOS;有3 X 100个晶体管，速率超过100 MIPS, Sun的标量处理器结构(Sparc )，用线宽0.8 (。的BiCMOS;Cypress的Hyper Sparc是三片模块的处理器，正在与Supersparc的一片结构展开竞争.一 (4) RISC如利用超标量结构、超流水线和提高运行频率，线宽0,3 m的一BiCMOS芯片可执行1000 MIPS, (5)数字信号处理器( DSP)仍有需要，曾制成6路并行处理的DSP芯片，速率270MOPS, (6)静态随机存取存贮器(SRAM)继续改进，曾用线宽0,30,手pm制成64 Mbit芯片程的门。列，但动态随机存取存贮器(3RAM)很快兴起，曾用线宽0.25 pm制成256 Mbit芯片.(7)与微处理器类似的，有Rlse微控制器，将广泛角于汽车上.Hitachi提供用几户编ZTAT微控制器.(8)有几个厂家提供现场编程门阵列(FFGA)等专用芯片(ASIC)，每一芯片含8 000个这种由用户编程的芯片销路大增，且有广阔前途.CIVIOS-芯片曾制成.-tOGX 103门的阵其封装有576针脚.BiCMOS用。. 8 . m线宽的芯片，有150 X 103门的阵列.微波集成 (1) GaAs的场效应晶体管(FET)的结构有改进.还有以In为基的异质结双极晶体管和高电子迁移率晶体管(HEMT)，其性能，从1025 GHz升至150 GHz以上.、(3 ) Fu jitsu的H EMS用于宽带通信网(B=:IS.DN)的异步转移方式(ATM)接一续器，达到总容量.量3.6 G_b/s,.一.-一-一一人一上海交通大学学报1994年第1期2通信技术2,1光纤通信 (1) 1991年光纤通信最突出的成就，是波长1,55 wm的掺饵石英光纤放大器(EDFA),有了它们，长途光纤线路可以避免使用O/E和E/O转换的再生中继机，组成端机与端机间的全光传输，而且可以同时放大多路光载波，实现宽带多路通信，非常有益.1992年，光纤放大器的应用发展迅速，曾装备在很长距离、无再生中继的海底光缆.以1 550 nm为中心的3 dB光带宽有1030 nm增益20-.35 dB，饱和输出功率5-.15 dB,。这样的光纤放大器及其抽引激光管组件如达到标准化，将对同步光纤网(SONET)p同步数字体系(SDH)的标准化迈出重要一步。 (2)单频激光管在1992年采用多量子阱(MQW)结构的激活层，由小量晶格失配引起小量应变，可提高量子效率，缩窄输出线谱.。又可减少频率扫动，容许直接调制，使数字速率10 Gb/s传输1 000 km.另外，InGaAs/GaAs应变层MQW激光管又能有效地发出波长950-. 1 050 nm.其中980 nm的输出入纤功率达50-.100 W，可以用作光纤放大器(EDFA)的抽引激光管，它在激光门限为17 mA、温度为25时，最大输出功率达380 mW. (3)在Si图片板上，4只1,3 wm InGaAsP/InP激光管排成阵列，相互间隔仅3:50 w,成为紧凑的组件.由此，除了光电子与微电子器件利用同样材料制成单片集成外，又可以让不同元器件在一块共用的Si板上制成混合集成，也许成本较低，光纤与激光管对准更方便. (4)有一种近场扫描光显微镜(NSOM)，没有透镜，而是利用单模光纤将激光传至锥尖，作为探针用于扫描.它可以扫描掺饵石英光纤的纤芯，使饵原子发荧光，因而看到纤芯中饵原子的分布图型.如饵原子聚集在纤芯的中心，则光纤放大作用最有效.这是纳技术观察和操纵光纤的首例.2;2数据通信 (1)原先专供计算机数据通信的局部区域网(LAN)已得到广泛应用，而且向提高数据速率方向剪x;199年开始着重于众多LAN的互连，有两种方式，一抽是帧转接(frame rclay),二是交换的多兆比恃数据业务网(SMDS之，用分组交换.这就是通过适当接口，LAN能接入公用网互相沟通。 (2)原先的100 Mb/。光纤分布数据接口(FDDI，为了降低成本，曾在无屏蔽的绞对铜线上应用.1991年推出新的I,型( FDDI- I )，兼用电路交换和分组交换技术，能提供数据、话音、图像的综合业务或多媒体传输.这种I型的网管理协议将符合国际标准组织( ISO)的规定。 (3) LAN不仅向高数据速率方向发展，又向宽带综合业务方向发展.公用B-ISDN的、异步转移方式(ATM), 1992年首先在专用LAN开始实验，使用数字速率155 Mb/s，将规定用户网接口(UNI)的规范，以期取得许可成为标准. (4)国际上非盈利组织的Internct已经连通许多国家的计算机，1991年约有600所大学和研究所参加，共4 00。个电子邮箱.1992年连接更多用户，并且开展密码签字和多媒体业务，其中分组话音和多点播送图像已发展到10个国家内的20。个地点.美国方面建立国家张煦:电子、通信、广播和计算机技术的发展动向科学基金网(NSFnct), 1991年有2 300所大学和研究单位的结点接入骨千网，数据速率为45 Mb/s,2,3综合业务网 (1)在美国，1991年是综合业务数字网(ISDN)明显进展的一年，有关各方一致同意推行全国性标准ISDN-1，准备真正实现ISDN.不过，_这样传给用户的ISI)N是窄带的，数字速率为2B+D=144 Kb%s，铜线电缆能传输可靠，性能满足标准要求，成本和功耗都卞降.当时，贝尔系统的电话公司预计3年内有50% -90%用户接受此项业务、但是，许多麟企业于ls9z年集中注意子同步光纤csaVE几沿光纤线路传输宽带数字信号原来商定的窄带(ISDN)计划，不那么认真积极进行了.ISDN的用户先从企业和机关单位开始，住宅用户如把铜线换为光纤，费用很贵，不是大多数用户所能承担. (2)贝尔系统各电话公司被批准经营电话以外的通信业务，沿电线传输经过压缩的数字电视节目至各电话用户，尽管联邦通信管理委员会(FCC)仍然不许电话公司经营模拟有线电视广播(CATY).而经营CATY业务的公司被准许同时在其有线广播网上经营电话业务，加拿大和英国也是如此.这是1992年通信发展的一个明显特征电话公司可以传送电视节目，有线电视公司可以开展电话业务. (3)新的迹象是电视(video)通信的迅速兴起，数字电视压缩技术进展顺利.电话、数据、电视的综合业务(integrated services)方向得到肯定，多媒体(multimedia)通信极受用户欢迎、电视电话(video-phone)和会议电视(video-conference或conferenca TV)将得到发展.计算机通信已从单纯数据扩大至多媒体.由于综合业务数字网的传输能力富余，1992年成为多媒体通信急剧增加的一年. (4)通信网现在面临增加新业务和改进旧业务的形势，有必要更新网的结构，加多软件的功能，以便快速和便易地适应业务演变，仍保持运行的可靠性和保密性.1991年提出两种办法:一是智能网(intelligent network; IN)，二是交换机计算机应用接口(SCAI)，国际标准组织正在对此认真讨论.具体地说，智能网是新一代的公用通信网，而SCAI则是用户，特别是企业或机关单位自己具有的装备.智能网可以用来创设、测试、添置和运行各种新业务.贝尔系统各电话公司的研究中心(Bellcore)正在大力开发智能网，这是通信网的下一次 挑战。2.4个人通信网 (1) 1991年，个人通信业务(PCS)开始起飞，1992年继续深入发展.个人通信网(PCN)基本上是广泛的无线电话网，也就是全球无线智能网.它们的覆盖面积和复杂程度远远超过现时移动通信的蜂窝网系统，个人通信业务可以在全世界任何地点找到和辨认任何用户，不1管这用户是在飞机上、电梯里、或沿街道步行，都可以很快接通.个人通信业务的关键是价廉的袖珍终端机，功率小于1W，通过基台连上通信交换网.这些无线电基台可以安装在室内或室外，其尺寸小于个人计算机。每一基台各有微区(microcell)，相隔仅几百米，它们每一微区覆盖面积只有现在蜂窝网每区面积的百分之一，这就容许少数几个频率在任何市区范围内重复使用上千次，使几十万个移动用户得以同时实现通信.现正开始拟订国际联网标准.使各国不同设备的个人通信网能连成统一的全球性个人通信网，称为未来公用陆地移动上海交一通大学学报1ss年第i期通信系统(FPLMTS,),这正是世界无线电管理会议(WARC)1992年开会讨论的重要议题之 (2)一些国家大城市内移动通信的模拟系统已开始转换为数字系统.在欧洲，为了移动通信能让用户在跨越国界时连续使用，15个国家于1991年一致同意制订时分多址数字标准，称为Group Speciale Mobile(GSM),美国FCC已接受约100家公司的申请，在1,8.,称2GHz频段内分配频率，供试验PCS使用.愿意经营PCS的公司包含电话公司，_蜂窝网移动通信公司和有线电视公司.加拿大、日本和欧洲国家也是如此.在各国推行移动通信过程中，唯独英国几家公司试验设置的公用投币、无绳电话亭(telepoint)，自开放以来很少有人问津，以致公司蒙受亏损，不得已此项业务全部关闭，是移动通信的一种失败?,:将来如何须再考虑。一组;_一_ 纷 裔沈派3广播技术3.1_高清晰电视一 (1)近年兴起一个热点是高清晰电视(HDTV)，数字式的、经过压缩编码的.它既要用于宽带综合业务数字网，作为一项日益重要的通信业务，又要在不远的将来用于数字电视广播，包括无线电视广播和有线电视广播，以替代现行的模拟彩色电视广播.HDTV画面的宽一高比定为16:9，与常规彩电的4s3不同，这在欧洲的Thomson CSFPhilips NV和日本、美国都是这样。视频压缩技术是发展HDT丫的关键，用了这种技术，线路传输容量可增加约5 -.-10倍.一 (2)美国于1991年建立一个高级电视测试中心，试验各种不同制式的数字HDTV系统，包括发射机和接收机、编码器和解码器、调制器和解调器.参加试验的系统;有:日本NPIF的窄带MUSE、美国G,e.eral Instrument Corp I7 MI.T合组ATVA DigiCapher;美国Zenith Electronics Corp一和AI&i Microe?ectroncs的DS C.-H DT V一试验包括实验室试验和现场播放试验，持续几个月。到1o:rl.,Y,年，;美国的几个公司集团已陆续成功地完成了它们各自一数字HDTV系鱿的现场试验.与此日时，欧洲的法国、荷兰、芬兰指定卫星电视广播便用D2-MAC标准，以便过渡至HDTV.日本已经开始广播Hi-Vision，这是模拟的HDTV它们也在致力于数字HDTV系统. (3)直至1992年，美国的FCC还没有选定HDTV传输系统的制式标准，但它准许每一拥有NTSC电视台的公司利用第二个频道播放HDTV节目.隔15年后，这些电视台必须放弃第一个频道，以供其他用途需要.到那时，只有HDTV节目广播，用户应购置HDTV电视接收扒，或者购买一个适配器，以转换HDTV节目，使NTSC接收机仍能观看一估计到1993年底，FCC将从申请的4种系统中选定HDTV的传输标准.Hughes制造的广播卫星，将采用Direr 1: V，直接播放数字电视，预定1994年初提供100路娱乐节自.家用电视接收机仅需小型天线和数字解码器.一孕)Philips发明的鬼影抵消参考(GCR )信号，插入现时NTSC视频信号的垂直消隐时段内，和视频信号本身受到同样的失真.电视接收机装置特殊的数字信号处理器，把收到妙尽CR信号与_在冬聋未受损害的、怪G波形相比较、一于是利用滤波器等器件纠正由传输途径张煦:电子、通信、广播和计算机技术的发展动向弓起的失真.1991年，FCC接受电视小组ATSC的要求，决定采用GCR为标准，并指定垂直消隐的19行用于这目的.3.2有线电视广播 (1)有线电视(CATV)是指近年新兴的地区性有线电视广播网，包括电缆电视线路和光纤电视线路.CATV主要有两个目的，一是为了弥补无线电视广播因无线、电波的一不夙传播途径对接收质量下降的影响，二是为了增加频道容量，也就是多加可供用户选看的电视节目数量.在目前，有线电视和无线电视广播一样播放常规的模拟彩色电视。但有倾向在不久的将来播放经过压缩编码的数字电视和HDTY;- (2)发展cATv的趋向是加大频道容量.例5tH, 1991年有些CATV公司从550 MHz的75路电视系统升至一1 G.Hz的150路系统，而在较长距离的线路中间，1 G-I二放大器不多于4个，保证噪声和失真木超过规定的要求。利用视频压缩技本的数字电视二可从1G耳频段获取多于150.路的容量.例如1 GHa有90K路F, MHz频段，其中60路传送常规彩色电视，30路传送HDTV，其余60路s MHz频段采用视频压缩技术，_压一缩比51，可，传送300路.这样，1 GHz的频道容量总共为390路。3,3数字电音广播 、 由于音频数字压缩技术迅速得到有效应用，世界上很多国家的广播事业，准备从模拟电音广播过渡至数字电音广播(DAB);藉以提高广播接收质量，使无线电调幅和调频一广播电台，以及卫星广播直接播放声音的质量，几乎与录音光盘的质量相同.1992年举行的世界无线电管理会议(WARC)在商讨频谱分配时，曾指定1.5 GHz的带宽40 MHz供卫星DAB使用(1,452-1,492 GHz).但许多国家实际使用其他频段，其中有15个国家使用爪5 GHz，美国用2,3 GHz,现在很多国家地面无线广播电台准备试用DAB，有些广播公司准备在现用模拟电音广播频道试验DAB,美国电子产业协会(EIA)收到了许多公司的建议，_因而专门设立了DAB小组，约集有关各方商讨和论证，有可能在19邻年底前定出统一标准.4计算机技术4,1个人计算机与工作站 . (1)计算机产业的普遍现象在近年是价格降低和性能提高. (2)个人计算机(PC机)以笔记本形式最受欢迎，1991年销售量比台式的大，1992年仍然如此，其尺寸从215 mm X 280: mm缩小至180 mm X 255 mm，重量约l kg,，(3)用笔手写代替键盘的PC机，在1991年曾引起市场注意，但1992年就发觉销路明显下降，看来技术上还应继续研究，并使成本减低，才能得到广泛接舜，并不是说绝无希望. (4)工作站有采用减简指令集计算(RISC)芯片.也有采用多个(2 -. 4个再处理器进行并行处理一一，一 (5)硬盘驱动器的尺寸从孔5 .减至1 8和1;3,一，_-一上海交通大学学报1994年第1期 (6 PC机与工作站的界线渐渐变得模糊，两者都开始利用多媒体技术，这是必然趋向，会吸引市场注意.4,2大型计旅机 (1)大型计算机趋向于使用大规模并行处理器系统(MPP, massive parallelism)，美国和日本的厂家都是这样设计制造。 (2)有可能由工作站联网来替代超级计算机，完成同样功能.这种情况正像PC机联网替代主机，分布式替代集中式，有些公司1992年起不再供应新的主机、 (3)有一家公司制造的超级计算机利用GaAs集成电路的处理器，速率虽快，但功耗较大.一一.介- (4)日本的第五代计算机系统经过多年努力，未见成功，1992年宣告结束舒另行并始其:a.:他方式的大项目研究，可能包括神经网络和光计算、一、一洲- (5)计算机分类原为:台式、小型、主机、超级计算机，1992年超可能按照计算机中包含的CMOS或BiCMOS处理器数量来分类:13, 5-.10，-，20-.50, I00r 1 000等.4,3计算机软件 (1) 1991年计算机公司收入减少，但软件公司营业特好，因为PC机用户需要更好的操作系统和应用软件.美国的计算机硬件公司受到日本的竞争，而软件市场仍占优势。到了1992年，西方国家经济衰退使计算机软件市场疲软，软件技术人员面临困难，估计1993!年也将如此.在国际上，软件竟争很明显，欧洲的国际标准组织ISO为了统一保证质盘，制定标准I争0-9000.美国有一非盈利组织IFPUG (International Function Point Users Group )成员增多，并在国外设立分支. (2) Windows自1990年起，作为PC机的软件，在市场上占优势.1992年，Microsoft推出两种新的型式:Windows 3,1和多媒体W indoors，而IBM有OS/2-2,0, Apple有System.7等，它们展开竞争.1993年预计将出现操作系统Windows NT.至于Unix，仍有广泛用途，并从它发展出AIX, HP-UX等，占一定市场. (3)面向对象程序设计(Object-Oriented Programming, OOP)在1991年开始上升，大多数支撑集中于C+，并用于各种RISC工作站，它在编译程序时间和运行时间方面有优点，但一般认为尚未成熟，到1994年可能制订标准型式.1992年，OOP迅速增加，甚至发展到通用的多媒体应用，包括I-IDTV.面向对象技术推广至面向对象分析与设计，面向对象数据库等.它又能使程序工具组合简化，以及其他用途. (4) Ada编译程序在1991年有很大进展，它符合美国国防部(DOD)要求的标准，不少PC机和工作站以及RISC计算机都使用它. (5)计算机辅助工程(CAE)曾一度兴旺，1991年转向计算机辅助软件工程(CASE;以测量所有与软件性能有关的因素.IEEE计算机学会专门小组草拟的参考模型将于1993年作为正式的 CASE标准。复杂的电子设计自动化(EDA)也在迅速发展应用.软件工程学会正在培训人员，以改进软件质量. 关于计算机的发展动态，请参阅光通信技术1993年第1,2期分别刊载的两篇资料:“电子计.算机近年发展动态简述”和“计算机工作站近况简述”。张):电子、通信、广播和计算机技术的发展动向13 参考文献1 Watsoa G F Solid State(Miniaturized IC, Si to Lase).IEEE Spectrum, Jan 1992: 422 Self K. Solid State(3 V Technology, 200 MHz Chips).IEEE Spectrum, Jaa 1993: 463 Bell T E.Telecommunications (Personal Communications, Intelligent Network). IEEE Spectrum, Jaa 1992: 364 Bell T E.Telecommunications(Telephony Merges With Video, Wireless Personal Communications). IEEE Spectrum, Jaa 1993: 385 Lowe S J. Data Communications(Linking LAN, Gigabit Networks).IEEE Spectrum, Jan 1992: 396 Sarch R. Data Communications(Internet Goes Commercial, ATM Forum Established)，IEEE Spectrum, tan 1993; d27 Jurgea R K. Consumer Electronics(Video Compression, Bit rate Reduction).IEEE Spectrum, Jan 1992: 528 Jurgen R K. Consumer Electronics(HDTV standard, Digital Audio Broadcasting).IEEE Spectrum, Jan 1993: 6b9 Roseablatt A. PCs and Workstations(Line Blurs, New Applications).IEEE Spectrum, Jaa 1992; 27-10 Comerford R. PCs and Workstations(Parallel-Processor Workstations, Multimedia PCs). IEEE Spectrum, Jan 1993: 2611 Zorpette G. Large Computers(Massive parallelism, Supercomputers with GaAs IC ).IEEE Spectrum, Jaa 1992: 3312 Zorpette G. Lar