《跨世纪科学技术发展趋势概述》
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| 一、信息技术 信息技术大体上由集成电路技术、通信网络技术、计算机技术和信息安全技术等核心技术领域组成。 信息技术的“细胞”——集成电路 集成电路(IC)是把二极、三极半导体晶体管以及电阻、电容都制作在同一块硅芯片上，使它具有电路的功能。 (1)半导体简介 物质就导电性能而言，可分为导体、绝缘体和半导体三大类。金、银、铜、铁、铝等金属能导电，电阻率很小，是导体。玻璃、塑料等电阻率很大，是绝缘体。半导体是指一类介于导体和绝缘体之间的材料，例如化学元素周期表中的IVA族元素硅、锗以及某些化合物，其电阻率通常介于导体和绝缘体之间。IVA族元素硅、锗的每个原子都有4个最外层电子(称为价电子)。这些原子形成排列规则、紧凑的晶体，晶体内部每个原子和它上、下、左、右相邻的4个原子共用各自的4个外层电子，使每个原子的最外层电子数都成为8个，从而处于稳定状态。如果受到温度和光照射影响，特别是晶体中有微量杂质元素时，稳定状态受到局部破坏，出现一些多余电子，或使一部分外层电子脱离，成为可自由运动的电子，晶体就具有一定的导电能力。 以硅晶体中掺入微量的5价磷原子为例，磷占据一个硅原子位置；它的5个外层电子有4个与相邻的硅原子的4个电子配对，多余的1个电子就成为自由电子；这种类型的半导体称为N型半导体，电子是它的载流子。如果掺入的是3价的硼，就只能有3个价电子与相邻的3个硅原子的外层电子配对，缺少的一个就形成“空穴”。相邻原子的价电子来填补这种“空穴”，事实上也就相当于带正电的“空穴”在移动；这种类型的半导体称为P型半导体，“空穴”是其载流子。用这两种类型的半导体，就可以设计、制造具有整流、放大、振荡、开关等各种作用的晶体管。 (2)晶体管的发展 在尚未揭示半导体晶体管的上述机理前，半导体的某些应用早已开始。例如：1883年制成第一个实用的硒整流器；无线电报出现后，天然矿石被广泛用作检波器；1911年制成硅检波器；1926年左右，锗也被用于制作整流器件。 由于电子管具有体积大、耗电多、价格高、寿命短等缺点，1925年前后已有人积极试探有无可能做成像电子管一样，在电路中能起放大作用和振荡作用的固体器件，但成效不大。这说明，半导体晶体管的研究与开发，需要理论和基础研究的指导。如前所述，这时量子力学理论才形成不久。同时还需要纯度高、完整性好的晶态半导体材料。为此，科学家们加强了对半导体物理、材料、器件设计理论、工艺原理、制造技术的研究开发工作。1945年夏，美国贝尔实验室成立固体物理研究组，共有7位科学家，其中包括巴丁(John Bardeen)、布拉坦(Waltrr Houser Brattain)、肖克利(William Bradford Shockley)，他们由于在晶体管研究中的创造性工作而同获1956年的诺贝尔物理学奖。 晶体管发展大致经历了以下过程：1947年—1948年的点接触型晶体管，1949年的单晶生长、区域提纯，1950年的结型晶体管，1952年的晶体管助听器、收音机等，1954年的硅晶体管，以及1960年的平面晶体管技术。 到20世纪60年代，出现了在一块硅芯片(通常面积小于100平方毫米)上含几十个晶体管的小规模集成电路。 (3)处理器芯片的发展 1971年，人们已能在一块面积350平方毫米的芯片上集成2500个晶体管。其后这一指标以每一年半翻一番的速率增长，到今天产品级已达800万个晶体管，且尚有提高潜力。 在芯片上制造如此大规模的集成电路，工艺极为复杂、严格。以光刻为例，光源先是用汞灯的两条谱线，即波长0．436微米的g线和0．365微米的i线。后来发展到用氟化氩准分子激光器的0．193微米紫外光；再进一步用深紫外光进行光刻，可实现0．18微米甚至o．13微米的工艺。目前，正在研究利用超紫外辐射及电子流的工艺。 (4)芯片促进了个人计算机的发展 随着处理器芯片功能的增强，PC机功能也发生了变化。从界面上看，386机采用文字处理界面，486机采用窗口界面、586(Pentium)机采用多媒体界面，P6(Pentium Pro)机则将采用三维图形界面。 从制造工艺上看，386机采用1．5微米工艺；Pentium／150机采用o．35微米工艺，含有330万个晶体管；Pentium Pro机含有550万个晶体管，AMD—K6MMK有880万个晶体管。据报道：Intel公司正在设计中的Merced为2000万-5000万个晶体管。预计到2011年，采用0.1微米工艺，处理器主频将可达1000兆以上，处理速度将超过每秒1亿条指令。 信息技术的“神经”——通信网络 人际通信手段的发展经历了以下几个阶段： ·写信 用文字进行个人对个人的通信，即古人所谓的鸿雁传书； ·电话 用语音进行个人对个人的通信，基本不与他人共享； ·传真 用图文进行通信，在受权下有限制地共享； ·主机—终端方式 可有限制地共享集中存储的各种信息； ·互联网络方式 面向全球分布系统、广播式的多媒体信息共享(在接受端加以限制)。 为达到具有5000万以上的用户，无线广播用了38年，电视用了13年，因特网(INTERNET)则仅用了4年半。 因特网的出现，也有其自身的历史背景和演变过程。20世纪90年代，美国国防部为了在受到核袭击时仍能保持通信能力，由先期研究计划署(ARPA)建立起ARPAnet，此即因特网的前身。为了互联，ARPAnet规定了几种通信协议，规定网上的通信不是按固定的路由，而是以密码群的形式经可变换的路由传送，此即当今美国的军用信息网采用的TCP/IP。80年代起，各种局域网得到发展。80年代后期，美国国家科学基金会(NSF)建立了NSFNET，允许教育和研究机构上网，也采用TCP／IP协议，正式称为因特网。80年代末起，因特网上的商业应用剧增。1991年创立了商业网络交换协会(CIX)，可在因特网上不加限制地选取商业信息。 但目前的因特网仍无法满足进一步的应用需求。原因主要是：信息传输率低，一般不超过10MB／s；只适应传文字和数据，不适应传声音和图像。因此，急需铺设高速光纤网，并把现有的电话系统、有线电视系统、交互式计算机网络系统并网，使因特网成为全球的媒体传送网络。 信息技术的“大脑”——计算机 微电子技术的飞速发展，使计算机的性能平均每年提高50％。高性能计算机发展特别快，正向大规模并行处理机的方向发展，其运算速度已达每秒万亿次，预计到2002年将达每秒100万亿次。微处理机则正向小型化和联网的方向发展。 (1)计算机辅助设计(CAD) 该项技术的发展是计算机早期应用的一例，它使设计人员扔掉计算尺、丁字尺、铅笔、鸭嘴笔和绘图板，将计算、画图、数据存储和处理等工作交给计算机去完成。由计算机自动产出设计成果，显示出图形，设计人员可在计算机上作出判断，进行修改，并将结果存储在计算机中，还可随时调出、修改、放大、缩小、平移、旋转，直至画(印)出图纸。 (2)计算机辅助设计和制造(CAD／CAM) 该技术的发展，可以用计算机辅助完成产品的加工、装配、检测和包装等制造过程。这是近30年来杰出的工程技术成就之一。它推动了许多领域设计与制造过程的革命，促成了一种新的设计和生产技术管理体制。 然而，计算机的功能虽强，但并不很合理。主要原因在于：人认识问题的“认知空间”与计算机处理问题时的“方法空间”的不一致。为此，要重视两个M和两个O及VR，努力减少人与计算机间的隔阂。 (3)灵境(或称虚拟现实，VR) 该技术可以简单理解为人与计算机生成的虚拟环境进行交互作用的技术手段。人与周围真实世界的交互作用是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉、力觉等多种传感信息来进行的。VR模拟人与真实世界的交互方式；但是它不仅基于真实，而且还可以、也应该超过真实。 VR利用各种传感器把人在某种真实环境中所感受到的各种信号记录下来，或利用其他手段产生信号，并把这些信号的次序、位置、强弱、彼此间的组合搭配关系，制成计算机软件；将这些信号、软件及有关的设备组合起来，形成一个系统，即虚拟现实系统。 VR在硬件方面的支撑包括： ·跟踪系统 确定头部、手和身躯的位置； ·图像生成和显示系统 产生视觉图像和立体显示； ·音频系统 提供立体声源和判定空间位置； ·触觉系统 提供力与压力的反馈； ·高性能计算机处理系统 高速处理、大容量存储、强联网特性。 系统软件(以英国超景公司VR工具软件为例)包括： ·形体编辑器 产生各种可见物； ·世界编辑器 将形体(零件)加以整合； ·贴图编辑器 使物体表面具有细微外观； ·画面编辑器 加上图示或使用说明； ·按键编辑器 定义每一按键功能； ·资源编辑器 为对话盒提供编辑功能。 灵境技术的应用可能会改变未来社会生活的方方面面。仅举一例：德国正在用灵境技术修复德累斯顿市一座古教堂。工程师们将教堂的原始蓝图和历史照片输入计算机，经过处理得到其三维模型，其内部结构和形状与被毁之前完全一致，还从教堂废墟中辨认出近三分之一的原砖块，将其重新“放置”到原来的位置上；研究教堂内部装饰的专家也使用同样的技术，再现教堂宏伟华丽的巴洛克式装饰。建成这一模型后，他们能随意“出入”教堂，仔细研究其正面、屋顶及金工方面的情况。修建工作现在已开始，计划耗资1．77亿美元，拟于2003年前竣工。 可以预见，21世纪初信息技术发展的总趋势是：大规模集成电路的集成度仍将持续地按每一年半到两年翻一番的速度递增，全系统做在一块芯片上”是发展方向；计算机将向高速和好用两个方向发展，这里，“好用”是指人与计算机间的隔阂缩小了，从单纯的数字化计算向多维化的信息处理方向发展；通信技术将向宽带化、个人化、智能化、综合化的方向发展；计算机与通信的紧密结合、计算机与家电的紧密结合，将导致产生一系列新的信息技术和信息产品；信息资源建设将日益受到重视。 信息技术的“免疫系统”——安全技术 美国《航空与航天日报》1995年6月4日曾透露：在对因特网进行的10000次侵袭实验中，有8800次成功进入厂国防部的信息安全系统，其中440次被测出，22次引起反侵袭抵制。目前，在网上巳出现“计算陷阱”、“逻辑炸弹”、“软件侦探”、“软件卧底”、“蠕虫”等。 美国国会总审计局于1996年5月提交国会的报告《国防部计算机系统日益受到严重威胁》中指出：国防部拥有210多万台计算机、10多个局域网、100多个广域网、200个指控中心、16个计算中心和外连400多个用户。外来袭击被发现的次数：1992年为53次，1993年为115次，1994年为225次，1995年为559次(实际约25万次)。进行了38删次模拟袭击，成功率为65％，被发现率为4％，能做出防御反应的不到1％。由此可以看出计算机和网络技术安全的重要性，它已引起各有关方面的关心并探讨其解决途径。 我国的信息技术、产业和应用情况，近年来有了相当的发展。但与先进国家相比仍有不小的差距。按国外报道的一种评价信息社会的坐标系：一是社会基础结构(在学人数、读报人数等)；二是信息基础结构(人均电话数、电视机数、卫星覆盖率等)；三是计算机基础结构(人均微机数、联网率、用于软件／硬件的开销等)。评价结果是：得分在300分以上的国家为55个，我国排49位；300分以下的国家为150个。 引自 《跨世纪科学发展趋势概述》 朱光亚 著 上海科技教育出版社 1999年8月第1版 | ||||||
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