微电子技术

随着科技的迅猛发展，信息技术，电子技术，自动化技术及计算机技术日渐融合，成为当今社会科技领域的重要支柱技术，任何领域的研发工作都与这些技术紧密联系，而他们的相互交叉，相互渗透，也越来越密切。

作为信息科技的前沿应包括下面一些内容：微电子学与纳米电子学；RISC精简指令系统与并行计算技术；Multimedia（多媒体）与Virtual Reality（虚拟现实，（又称灵境）技术；软件工程、CASE软件工程开发环境以及根据人的一般思维方法和认知过程去开发的面向对象的软件技术；自动控制（除了第一、第二代控制理论及系统外，还有模糊控制、人工智能、神经网络的理论与系统等），最后是与近代通信相关的科技……我们从微电子学与纳米电子学、电子计算机科技与现代通信这几个方面做简要介绍

一、 微电子学与纳米电子学

微电子技术

微电子技术是现代电子信息技术的直接基础。美国贝尔研究所的三位科学家因研制成功第一个结晶体三极管，获得1956年诺贝尔物理学奖。晶体管成为集成电路技术发展的基础，现代微电子技术就是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。集成电路的生产始于1959年，其特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快。衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：一是缩小芯片中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；二是增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓有针对性的设计应用。

大规模集成电路指每一单晶硅片上可以集成制作一千个以上的元器件。集成度在一万至十万以上元器件的为超大规模集成电路。国际上80年代大规模和超大规模集成电路光刻标准线条宽度为0．7一0．8微米，集成度为108 。90年代的标准线条宽度为0．3一0．5微米，集成度为109。集成电路有专用电路(如钟表、照相机、洗衣机等电路)和通用电路。通用电路中最典型的是存贮器和处理器，应用极为广泛。计算机的换代就取决于这两项集成电路的集成规模。

存贮器是具有信息存贮能力的器件。随着集成电路的发展，半导体存贮器已大范围地取代过去使用的磁性存贮器，成为计算机进行数字运算和信息处理过程中的信息存贮器件。存贮器的大小(或称容量)常以字节为单位，字节则以大写字母B表示，存贮器芯片的集成度已以百万位(MB)为单位。目前，实验室已做出8MB的动态存贮器芯片。一个汉字占用2个字节，也就是说，400万汉字可以放入指甲大小的一块硅片上。动态存贮器的集成度以每3年翻两番的速度发展。

中央处理器(CPU)是集成电路技术的另一重要方面，其主要功能是执行“指令”进行运算或数据处理。现代计算机的CPU通常由数十万到数百万晶体管组成。70年代，随着微电子技术的发展，促使一个完整的CFU可以制作在一块指甲大小的硅片上。度量CPU性能最重要的指标是“速度”，即看它每秒钟能执行多少条指令。60年代初，最快的CPU每秒能执行100万条指令（常缩写成MIPS)。1991年，高档微处理器的速度已达5000万一 8000万次。现在继续提高CPU速度的精简指令系统技术(即将复杂指令精减、减少)以及并行运算技术(同时并行地执行若干指令)正在发展中。在这个领域，美国硅谷的英特尔公司一直处于领先地位。

此外，光学与电子学的结合，成为光电子技术，被称为尖端中的尖端，为微电子技术的进一步发展找到了新的出路。美国《时代》杂志预测：“21世纪将成为光电子时代。”其主要领有激光技术、红外技术、光纤通信技术等。

（一） 微电子技术与大规模集成电路

小型化集成系统

微电子学给人类带来了半个世纪的繁荣。目前国际上集成电路生产线已普遍采用８圆片，0.35um工艺。我国集成电路的大生产水平发展也很快。1995年已经达到了6'1.2um的水平，IC产量到2000年可望达到年产10亿块。1995年4月，中科院微电子中心已开发出0.8um的CMOS工艺，在5.0×5.7mm 面积上集成了26000只晶体管、输出管脚数为72，制成了通用的模糊控制集成块。

（二） 高密度电子组装技术

集成电路IC实际上完成了芯片级的电子组装，有着极高的互联密度。那么，能不能将高集成鹊胨SI/VLSI/ULSI（大规模／超大规模／特大规模集成电路）和ASIC/FPGA/EPLD（专用ＩＣ／现场可编程门阵列／电可擦除可编程的逻辑器件）等组装在一起实现集成电路的功能集成呢？这就是SMT（表面安装技术）、HWSI（混合大圆片规模集成技术）和3D（三维组装技术）。这些技术，推动着电子设备和产品继续向薄轻短小发展，在片状元件的小型化和自动安装设备所能处理的元件尺寸已濒临极限的今天，起着关键的作用。进入９０年代，代表性技术则轮到了MCM，人称多芯片组装时代，到2000年即下世纪初，将是WSI/HWSI/3D时代！WSI是将复杂的电子电路集成在一个大圆片上。将IC芯片，MCM和WSI进行三维迭装的3D组装突破了二维的限制，使组装密度更上一层楼。

（三） 纳米电子学

近几十年来，电子计算机已历经了几代的更迭，而代代更迭都是以存储或处理信息的基本电子学单元的尺度变化为标志的。从８０年代开始，科学家开始探索特征尺寸为纳米量级的电子学，纳米电子学主要研究以扫描隧道显微镜为工具的单原子或单分子操纵技术。这些技术都有可能在纳米量级进行加工，目前已形成纳米量级的、信息存储器，存储状态已维持一个月以上，希图用此技术去制作16GB的存储器。德国的福克斯博士等制出了原子开关，达到了比现今芯片高100万倍的存储容量，获得了莫里斯奖。量子力学告诉我们，电子与光同时都具有粒子波的特性，今天的微电子学和光电子器件将缩到。0.1线宽，电子的波动性质再也不能忽视，把电子视为一种纯粹粒子的半导体理论基础已经动摇。这时电子所表现出来的波动特征和拥有的量子功能就是纳米电子学的任务。纳米电子学有更多诱人之处。科学家们已经预言，纳米电子学将导致一场电子技术的革命！

二、电子计算机科技

（一） 巨型机与微型机

中型计算机

目前，电子计算机硬件总的发展方向依然是提高速度、扩大容量、增加功能、改善界面与缩小体积。计算机系统小型分散化的倾向，促进了PC个人计算机与工作站的发展，正在逐步替代大中型机。至于巨型机，世界各国都万分重视。1991年美国副总统，戈尔就提出了高性能计算机与通信计划（HPCC计划），目的是在1992~1996年间加快计算机与信息网的研究，加强美国的领先地位。他们大力发展巨型机以解决如下问题：征服癌症与艾滋病特效药的研制；下一代超音速客机的研制；节省燃料、污染又小的新一代汽车发动机的开发；长期天气预报；星系形式的探索。目前百亿次级的巨型机已在美、日全面开花，千亿次级的巨型机已陆续出台。1992年，美国NCUBE公司已宣布要研制性能指标全部达到3T（Trillion）即万亿次浮点运算、万亿字节的存贮以及CPU与内存间有每秒万亿字节带宽的新一代巨型机。

（二） Internet全球性的计算机网络

为了实现信息资源的共享，计算机互联网的规模日益扩大，最具代表性的大网，莫过于已联接140多个国家与地区、网上运行的计算机数达380多万台，用户数逾3500多万个的Internet网了。有超过4800个组织已注册了Internet网络地址，有超过160个国家和地区的用户通过它来进行E-mail通信。预计到本世纪末，将有100万个网络、1 亿台计算机和10亿个用户来使用它。

现代通信的目标是“全球一网”！其基础是数字技术、计算机技术、微电子与光电子技术。总的趋势是数字化、宽带化、综合化，智能化与个人化，最终是构成一个全球一体的宽带、智能、个人化的综合业务数据网。当今通信界的三股热流是：光纤通信、卫星通信与移动通信。

现代通信技术

（一） 光纤通信技术

光缆通讯

光波是电磁波，其波长在微米级，频率在1014Hz数量级，比微波要高出103~104倍，所以比之有高出千万倍的通信容量。光纤现有窗口可容纳20000GHz带宽的信号，如何发挥其潜力呢？一是提高信号的码率；一是用相干光通信；一是用掺铒光纤放大器；一是采用光波频分复用技术，还可采用光孤子通信。什么是光孤子？光脉冲在光纤的非线性和光纤的色散特性相互补偿下会形成光孤子。光孤子脉冲可以在光纤中长距离传输而不发生畸变，因而可得到很高的码率，是高速度、长距离光纤通信的优越方案。

（二） 卫星通信技术

卫星通讯的示意图

卫星通信具有容量大、覆盖面广、通信质量高、选站灵活和成本低廉的特点。卫星通信按运行轨道分有同步轨道卫星、中轨道卫星和椭星轨道卫星。卫星的业务范围很广，除电话、数据和电视广播外，还为海陆空提供移动通信、GPS定位导航和VSAT（卫星小型地面站）等。到1995年为止，全世界的卫星通信转发按36MHz有效带宽计已达3140个。80年代出现了国防海事卫星通信系统，目前已有5颗卫星正在为三大洋的航船提供海陆空商务和遇难/救援工作。近期，他们又在原卫星通信系统的基础上使用了11颗距地面35860公里的同步卫星将开展14项服务业务。目前全球汽车电话系统已经开通，用户汽车上都安有一个无线系统，不论汽车的运行方向与速度如何变化，天线系统均能自动跟踪Internet通信卫星，从而实现在汽车运行中的全球通信。目前已有6500个用户，每个用户每天平均使用2次时间约2分钟，每分钟通话费仅4-6美元。目前已开通电话与传真收发业务，今年年底将开通数据传输业务。

（三） 移动通信技术

移动通信有着丰富的内容：蜂窝移动电话系统、集群式专用调度移动通信、CT无绳电话系统与无线寻呼（BP）机系统。总的发展趋势是数字化、小型化与个人化。

全球最小卫星电话

蜂窝式移动电话系统已有二十多年的历史了，可过去是模拟制的，存在着频率利用率低、保密性差、功能少、设备复杂及价格偏高的缺陷，所以从80年代开始，不少国家都开发了第二代数字化的蜂窝移动电话通信系统。预计2000年用户可达12亿，美国占50%，模拟制被淘汰。

（四） GPS卫星导航定位系统

1964年世界上第一个卫星导航系统——美国“子午仪”投运，通过4~6颗卫星组成的导航卫星网，运行于近似圆形的极轨道上，卫星由南向北运行，高度1100公里，运行周期；107分钟，可完成全球、全天候的经纬二维定位，精度才100~300M。为了满足现代战争的需要，美国防部已投资100亿美元，历时20年开发制成了GPS系统。系统由卫星、设在美国本地及三大洋的主控站、监控站组成。不仅在海湾战争中发挥了作用，而且在全球掀起了GPS热潮，引发了导航界的一场革命，大有取代所有导航方式的趋势，包括地下与水下。难怪美国军方声称GPS的应用仅限于人们的想象力。目前不论用户在任何地点、任何时间至少能同时观测到5颗卫星，GPS系统可从其中3~4颗星发出的信号里通过数据转换成导航的批示。它具有全球性、全天候和实时的导航、定位、定时功能，能实时地提供三维坐标（经、纬、高度）和速度与时间信息，定位精度10M。我国“远望”号测量船已用国产的GPS为发射的第二颗澳星测轨。

（五） BIP-ISDN

智能ISDN网络终端

实际上，今天业已存在的长途电信网、卫星通信网、海底光缆网、国际计算机互联网已无一不是国际性的全球网络了。所有的通信网都是由传输设备、交换设备、终端设备与网控设备四部分组成的，信息高速公路的目标模式是BIP-ISDN。首先是B-ISDN，B-ISDN应采用CCITT的建议，用同步数字系列（SDH）进行复接传输，全国要采用统一的时钟同步，这样的光纤网就叫作同步光纤网SONET。BIP-ISDN在交换方面采用ATM异步转移模式，也就是宽带综合业务的交换系统，包括电的、光的、光电混合的ATM技术。在终端方面，必须采用多媒体终端。智能网采用开放式结构与标准接口，在网络中应引入语言识别，语音合成、人工智能、神经网络技术，网络的智能化应包括网络自身的管理、组织、监控、调度的智能化以及向用户提供如电话翻译等带智能化的信息服务业务。随着BIP-ISDN的逐步完善，通信业务除了传统的电话外，像数据、文字、可视电话、语音信箱、电子邮政、电子数据交换、彩色传真、智能用户电报、会议电视、大众广播、虚拟专用网，尤其是Internet业务都可开展。

信息化的程度已被认为是衡量一个国家现代化水平和综合国力的标志。信息化有三个要素：计算机、通信网与信息源。目前我国每年统计的原始信息量约150~200亿个字符。我国不仅地大物博，而且信息丰富，所以不论是三金工程（金字号工程）还是BIP-ISDN在我国都是大有可为的，千万不可忽视信息源的建设！信息化是一个大课题，要提高信息网络的智能化程度，首先要掌握自动化，平淡的信息网、数据库（信息源）其价值是不高的，在市场竞争中的地位也是可怜的，让我们共同努力，把自动化的理论与技术融合进信息化的开发中，加快祖国的BIP-ISDN建设，迎接21世纪——信息化世纪的到来！