如何预测电子信息技术在21世纪的进步.doc

一 如何预测电子信息技术在21世纪的进步？首先，信息科学和电子信息技术在21世纪必将迅速发展。信息一词非常古老,却又唱挂在现代人嘴边。远在唐代,诗人李中在暮春怀故人一诗中就有梦断美人沉信息,目穿长路倚楼台的美妙绝句。古人曾多次用到信息一词,但我们从未找到古人对信息的定义。在此,我们将信息定义为客观事物运动状态的表征与描述,并依照信息的产生方式做如下分类:自然信息:是自然界的事物及事物之间内在联系的表征。人工信息:人们依据物质运动、利用一定手段、人为地进行表征和描述。表征和描述的手段很多,如人类的语言和文字,现在还可以利用计算机来存储、传输和处理信息。综合信息:是指在人类社会中,自然信息和人工信息的集成。我们着重注意其在社会中的传递和应用,以及为人类社会发展服务的特征。由此可以看出,现在的信息已远远超出了仙农当时的定义,信息科学研究的内容也远远超出了当时信息论所涉及的内容。1.由人类社会发展普遍规律分析社会之所以能够进步,主要是通过人的思维、认识和控制能力的提高来改造自然世界、创造人类文明,同时也改造人类自己。人的思维认识是人类改造自然的基础。几千年来,人的生理构成变化很小,人对客观世界的改造、控制能力却提高了很多。可以概括地认为,这是人类处理信息能力大大提高、以及一些重要处理结果的积累和继承的结果。随着人类对信息处理能力需求的提高及科学技术的发展,信息科学与工程的结合已经制造出各种为人类服务的信息系统。但现代信息系统对信息的处理能力比起人脑处理结合重构的能力还差得很远,还只能充当助手的角色。 2.由目前世界发展趋势分析信息科学和信息系统的发展将大大促进科技、经济、教育等领域的发展,一个开放的中国将面临激烈的竞争。所以,竞争的需要必将带动信息科学与信息系统快速发展。现代数学、物理、化学、神经和认知科学、材料科学、非线性科学,以及微电子技术、纳米技术将为信息科学及技术开辟新的方向,为其发展提供强有力的支持。此外,由信息科学技术现在的发展速度推断,在即将到来的21世纪中,信息科学和信息系统将迅速发展。信息科学的高速发展必将影响到人类社会的各个方面。电子技术的应用发展绝大部分属于信息领域,故也可联系在一起称为电子信息技术。从下列应用领域我们可以明显看出,电子信息技术将随信息科学而飞速发展。直接构成电子信息系统,如通信系统、遥感遥控系统、调度指挥系统。作为其它人工系统发展的技术支持。作为发展人类物质生活、娱乐系统、医疗保健系统的技术支持。作为人类进行科学研究的技术手段。成为已发展成独立高科技领域的计算机技术的重要技术基础。其次，电子信息技术的主要发展方向1.电子信息技术与系统理论相结合,构成日益复杂的信息系统。这里首先涉及到系统的定义。我们姑且把它定义为:具有非线性进化功能的耗散结构,由多元素组成多层次的综合整体。系统理论的一些新规律和新概念,对信息系统的构成和发展有很强的促进作用和深远的意义。应用一些新规律、新概念对信息系统进行分析、综合及运筹研究,再与电子信息技术密切配合,研制出功能周全、结构复杂、性能先进的信息系统,无疑是一个重要方向。这些新规律和新概念主要有:系统通过涨落达到动态宏观有序原理。系统耗散结构,远离平衡态和非线性的自维生作用是动态宏观有序的基本条件。系统与环境共同进化原理,以及进化机制等。耗散结构概念,系统的多层次、多剖面概念,系统的整体功能大于分系统功能总和等非线性概念,系统客观存在概念等。2.电子信息技术与多媒体技术的结合。媒体是指承载信息的载体。对人而言,感觉空间可分为五维,即视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。统计结果表明,视觉信息量约占全部的65%,听觉占20%,触觉占10%。多媒体就是综合多种媒体,使人更好地处理、利用信息的技术和实体系统的简称。多媒体的关键技术如下:多媒体信息特性及建模多媒体信息特性包括其本质性的认识,涉及心理、艺术、信息系统理论、计算机科学等多学科的交叉和综合研究。同时,要进行多媒体信息建模的研究,其重点之一是多媒体之间通过相互结合发挥更大效用的问题。多媒体数据压缩由于涉及高质量动态图形数据,多媒体数据量大得惊人,因此必需进行大压缩比、高质量的数据压缩。而且,随着整个网络群体中个体数量的增加,矛盾更加突出。所以,高质量、大压缩比的数据压缩是一个重要的研究与发展方向。多媒体信息在不同层次系统中的组织、管理及多媒体系统的使用管理多媒体的数据量巨大、种类繁多,各种媒体间的差别很明显,但在信息意义上有关联,所以给管理带来很多问题。如何组织、表征这些多媒体信息,如何在网络上传输管理,都需要大力研究。此外,多媒体信息网络系统的安全管理,也是全系统使用管理中一个极重要的问题。多媒体软硬件平台这是多媒体发展的物质基础,任何突破都将推动多媒体的迅速发展;同时,反过来又将对软硬件提出新的要求。多媒体的硬件已有较高水平的发展,软件方面却差距很大,尤其是管理软件种类少。用于多媒体系统的应用软件、开发工具及标准等都有待大力发展。多媒体与虚拟现实技术该项技术是多媒体发展的一个更高级阶段。它高度的集成性、交互性给用户以逼真的体验,能使人更好地发挥处理多媒体承载信息的综合能力。利用这种技术可以模拟很难或很少出现的环境,以训练有关人员,并可节省大量经费。虚拟现实既是一种高度集成的技术,涉及计算机软硬件、传感技术、人工智能、心理学及很多多媒体领域内的高新技术,同时又是一个重要的发展方向,值得密切关注。多媒体技术与信息网络的系统结合多媒体及信息网络都是相当复杂的系统,有自身的规律。两者结合在一起,由于互相制约又会产生一批科技新问题。但多媒体信息网络肯定是一个发展方向,将会促进社会各方面的发展。反过来,也要求人的素质和科技水平、以及社会的综合水平不断提高,以适应多媒体信息网络,并使它充分发挥作用。3.发展21世纪高性能信息系统,帮助人们更好地进行信息处理。这个技术方向的总目标是,不断向像人的思维认识能力那样的信息处理方式逼近。在此,计算机有两个重要特征值得注意:计算机发挥作用主要有两个特点:一是在符合计算机工作条件的前提下,其动作比人脑快而不易出错;二是存储量大,可长期记忆而不出错。但计算机要求的工作条件有三个方面:能用形式化方法描述该问题;能找到一个算法解决已形式化的问题;能用复杂程度合适的程序实现既定算法。所以,人们并不能随意使用计算机,而是必须迁就它的条件。计算机只能串行、刻板、明确、严格地执行形式逻辑规则的逻辑指令动作,而人的思维是并发、联想、形象、模糊、多样化的。所以,人的思维模式和计算机的动作模式绝对不同,因而无法直接交流,也无法利用计算机现在的工作模式帮助人进行思维。现在,一方面在努力研究少些迁就计算机的各种办法,使计算机应用面向非计算机专家;另一方面,想从根本上解决计算机直接理解人的思维、帮助人思维的办法。后一种努力困难非常大。很多科学家认为,需要从基本工作模式上改变计算机现有的模式,使之像人的思维模式那样工作。但最大的问题是,人的思维机制现在还远远未弄清楚。但无论如何,计算机会些思维(统称人工智能问题)是一个重要的技术发展方向二 在电子信息技术科学领域要从事发明，创造与发明电子管和晶体管的时代环境有何不同？ 电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，以获得信号放大或振荡的电子器件。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被晶体管和集成电路所取代，但目前在一些高保真音响器材中，仍然使用电子管作为音频功率放大器件。电子管的种类:（一）按用途分类 电子管按其用途的不同可分为电压放大管、功率大管、充气管、闸流管、引燃管、混频或变频管、整流管、振荡管、检波管、调谐指过管、稳压管等。 （二）按电极数分类 电子管按其电极数的不同可分为电压放大管、三极管、四极管、五极管、六极管、攻极管、八极管、九极管和复合管等。三极以上的电管又称为多极管或多栅管。 （三）按外形分类 电子管按其外形及外壳材料可分为瓶形玻璃管（ST管）、“橡实”管、筒形玻璃管（GT管）、大型玻璃管（G式管）、金属瓷管、小型管（也称花生管或指形管、MT管）、塔形管、超小型管（铅笔形管）等多种。 （四）按内部结构分类 电子管按其内部结构可分为单二极管、二极管、双二极三极管、双二极管极管、单三极管、功率五极管、束射四极管、束射五极管、双一极管、二极五极复合管、又束射四极管、三极-五极复合管、三极-六极复合管、三极-七极复合管、束射功率各处室等多种类型。 （五）按阴极的加热方式分类 电子管按阴极的加热方式可分为直热式阴极电子管和旁热式阴极电子管。 （六）按屏蔽方式分类 电子管按屏蔽方式可分为锐截止屏蔽电子管和遥截止屏蔽电子管。 （七）按冷却方式分类 电子管按冷却方式可分为水冷式电子管、风冷式电子风和自然冷却式电子管。 晶体管晶体管是一种固体半导体器件，可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流。 晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。 晶体管有三个极，双极性晶体管的三个极分别是发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。场效应晶体管的三个极分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）。 1.在双极性晶体管中，发射极到基极的很小的电流会使得发射极到集电极之间产生大电流。 2.在场效应晶体管中，在栅极施加小电压来控制源极和漏极之间的电流。在模拟电路中，晶体管用于放大器，音频放大器，射频放大器，稳压电源，在计算机电源中，主要用于开关电源。晶体管也应用于数字电路，主要功能是模拟电子开关。电子管与晶体管得历史时代1883年，闻名世界的大发明家爱迪生发明了第一只白炽照明灯。电灯的发明，给一直生活在黑暗之中的人们送去了光明和温暖。就在这个过程中，爱迪生还发现 了一个奇特的现象：一块烧红的铁会散发出电子云。后人称之为爱迪生效应。1904年弗莱明在真空中加热的电丝(灯丝)前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。他把这种装有两个极的电子管称为二极管。利用新发明的电子 管，可以给电流整流，使电话受话器或其它记录装置工作起来。如今，打开一架普通的电子管收音机，我们很容易看到灯丝烧得红红的电子管它是电子设备工作的 心脏，是电子工业发展的起点。弗莱明的二极管是一项崭新的发明它在实验室中工作得非常好。可是，不知为什么，它在实际用于检波器上却很不成功，还不如同时发明的矿石检波器可靠。因此，对当时无线电的发展没有产生什么冲击。此后不久，贫困潦倒的美国发明家德福雷斯特，在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管。这一小小的改动，竟带来 了意想不到的结果。它不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动，而且，集检波、放大和振荡三种功能于一体。因此，许多人都将三极管的发明看作电子工业 真正的诞生起点。电子管的问世，推动了无线电电子学的蓬勃发展到1960年前后，西 方国家的无线电工业年产10亿只无线电电子管。电子管除应用于电话放大器、海上和空中通讯外，也广泛渗透到家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐播 送到千家万户。就连飞机、雷达、火箭的发明和进一步发展，也有电子管的一臂之力。 电子管器件历时40余年一直在电子技术领域里占据统治地位。但是，不可否认，电子管十分 笨重，能耗大、寿命短、噪声大，制造工艺也十分复杂。因此，电子管问世不久，人们就在努力寻找新的电子器件。第二次世界大战中，电子管的缺点更加暴露无 遗。在雷达工作频段上使用的普通的电子管，效果极不稳定。移动式的军用器械和设备上使用的电子管更加笨拙，易出故障。因此，电子管本身固有的弱点和迫切的 战时需要，都促使许多科研单位和广大科学家，集中精力，迅速研制成功能取代电子管的固体元器件。早在30年代，人们已经尝试着制造固体电子元件。但是，当时人们多数是直接用模仿制造真空三极管的方法来制造固体三极管。因此这些尝试毫无例外都失败了。 1948年6月的一天，在美国贝尔实验室的一个房间里，一架样式很普通的收音机正在播放着轻柔的音乐，许多参观者在它面前驻足不前。为什么大家都对这台收 音机情有独钟呢？原来这是第一架不用电子管，而代之以一种新的固体元件晶体管的收音机。晶体管发 明以后，在不长的时间内，它的深远影响便很快地显示出来，它在电子学领域完成了一场真正的革命。 什么是晶体管呢？通俗地说，晶体管是半导体做的固体电子元件。半导体是19世纪末才发现的一种材料。当时人们并没有发现半导体的价值，也就没有注重半导体的研究。直到二次大战中，由于雷达技术的发展，半导体 器件微波矿石检波器的应用日趋成熟，在军事上发挥了重要作用，这才引起了人们对半导体的兴趣。许多科学家都投入到半导体的深入研究中。经过紧张的研究 工作，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人捷足先登，合作发明了晶体管一种三个支点的半导体固体元件。它的发 明是电子技术史中具有划时代意义的伟大事件，它开创了一个崭新的时代固体电子技术时代。他们三人也因研究半导体及发现晶体管效应而共同获得1956年 最高科学奖诺贝尔物理奖。 开始，布拉顿和巴丁在研究晶体管时，采用的是肖克利提出的场效应概念。场效应设想是人们提出的第一个固体放大器的具体方案。根据这一方案，他们仿照真空三极管的原理，试图用外电场控制半导体内的电子运动。但是事与愿违，实验屡屡失败。问题究竟出在那里呢？经过多少个不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一种新的理论表面态理论。这一理论认为表面现象可以引起信号放大效应。表面 态概念的引入，使人们对半导体的结构和性质的认识前进了一大步。布拉顿等人乘胜追击，认真细致地进行了一系列实验。结果，他们意外地发现，当把样品和参考 电极放在电解液里时，半导体表面内部的电荷层和电势力发生了改变，这不正是肖克利曾经预言过的场效应吗?这个发现使大家十分振奋。在极度兴奋中，他们加快 了研究步伐，利用场效应又反复进行了实验。谁知，继续实验中突然发生了与以前截然不同的效应。这接踵而至的新情况大大出乎实验者的预料。 人们的思路被打断了，制作实用器件的原计划不能不改变了，渐趋明朗的形势又变得扑朔迷离了。然而肖克利小组并没有知难而退他们紧紧循着茫茫迷雾 中的一丝光亮，改变思路，继续探索经过多次地分析、计算、实验，1947年12月23日，巴丁和布拉顿把两 根触丝放在锗半导体晶片的表面上，当两根触丝十分靠近时，放大作用发生了。世界第一只固体放大器晶体管也随之诞生了。巴丁和布拉顿实验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导体的某一点接触，故称点接触晶体管。这种晶体管对电流、电压都有放大作用。 晶体管发明半年以后，在1948年6月30日，贝尔实验室首次在纽约向公众展示了晶体管。这个伟大的发明使许多专家不胜惊讶。然而，对于它的实用 价值，人们大都表示怀疑。的确，当时的点接触晶体管同矿石检波器一样，利用触须接点，很不稳定，噪声大，频率低，放大功率小，性能还赶不上电子管，制作又很困难难怪人们 对它无动于衷。然而，物理学家肖克利等人却坚信晶体管大有前途，它的巨大潜力还没有被人们所认识。于是，在点接触式晶体管发明以后，他们仍然不遗余力，继 续研究。晶体管同电子管产生于完全不同的物理现象，这就暗示晶体管效应有其独特之处。明白了这一点，肖克利当 即决定暂时放弃原来追求的场效应晶体管，集中精力实现另一个设想晶体管的放大作用。1948年11月，肖克利构思出 一种新型晶体管，其结构像“三明治”夹心面包那样，把N型半导体夹在两层P型半导体之间。可惜的是，由于当时技术条件的 限制，研究和实验都十分困难直到1950年，人们才成功地制造出第一个PN结型晶体管。电子技术发展史上一座里程碑晶体管的出现，是电子技术之树上绽开的一朵绚丽多彩的奇葩。同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：晶体管的构件是没 有消耗的。无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步 以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍，称得起永久性器件的美名。晶体管消耗电子极少，仅为电子管的十分之一或几十分之一 它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。晶体管不 需预热，一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看 得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。晶体管结实可靠，比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟 的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提 高元器件的安装密度。正因为晶体管的性能如此优越，晶体管诞生之后，便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中。1953年，首批电池式的 晶体管收音机一投放市场，就受到人们的热烈欢迎，人们争相购买这种收音机。接着，各厂家之间又展开了制造短波晶体管的竞赛。此后不久，不需要交流电源的袖 珍“晶体管收音机”开始在世界各地出售，又引起了一个新的消费热潮。由于硅晶体管适合高温工作，可以抵抗大气影响，在电子工业领域是最受欢迎的产品之一。从1967年以来，电子测量装置或者电视摄像机如果不是“晶体管化”的，那么就别想卖出去一件轻便收发机，甚至车载的大型发射机也都晶体管化了。另外，晶体管还特别适合用作开关。它也是第二代计算机的基本元件人们还常常用硅晶体管制造红外探测器。就连可将太阳能转变为电能的电池太阳 能电池也都能用晶体管制造。这种电池是遨游于太空的人造卫星的必不可少的电源。从1950年至1960年的十年间，世界主要工业国家投入了巨额资金，用于研究、开发与生产晶体管和半导体器件。例如，纯净的锗或硅半导体，导电性 能很差，但加入少量其它元素(称为杂质)后，导电性能会提高许多。但是要想把定量杂质正确地熔入锗或硅中，必须在一定的温度下，通过加热等方法才能实现 而一旦温度高于摄氏75度，晶体管就开始失效。为了攻克这一技术难关，美国政府在工业界投资数百万美元，以开展这项新技术的研制工作。在这样雄厚的财政资 助下，没过多久，人们便掌握了这种高熔点材料的提纯、熔炼和扩散的技术。特别是晶体管在军事计划和宇宙航行中的威力日益显露出来以后，为争夺电子领域的优 势地位，世界各国展开了激烈的竞争。为实现电子设备的小型化，人们不惜成本，纷纷给电子工业以巨大的财政资助。 自从1904年弗莱明发明真空二极管，1906年德福雷斯特发明真空三极管以来，电子学作为一门新兴学科迅速发展起来。但是电子学真正突飞猛进的 进步，还应该是从晶体管发明以后开始的尤其是PN结型晶体管的出现，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术的革命。在短短十余年的时间里，新兴的 晶体管工业以不可战胜的雄心和年轻人那样无所顾忌的气势，迅速取代了电子管工业通过多年奋斗才取得的地位，一跃成为电子技术领域的排头兵。现代电子技术的 基础诚然，电子管的发明使电子设备发生了革命性变化。但是电子管体大易碎，费电又不可靠因此，晶体管的问世被誉为本世纪最伟大的发明之一，它解决了电子 管存在的大部分问题。可是单个晶体管的出现，仍然不能满足电子技术飞速发展的需要。随着电子技术应用的不断推广和电子产品发展的日趋复杂，电子设备中应用 的电子器件越来越多。比如二次世界大战末出现的B29轰炸机上装有1千个电子管和1万多个无线电元件电子计算机就更不用说了1960年上市的通用型号 计算机有10万个二极管和2.5万个晶体管。一个晶体管只能取代一个电子管，极为复杂的电子设备中就可能要用上百万个晶体管。一个晶体管有3条腿，复杂一 些的设备就可能有数百万个焊接点，稍一不慎，就极有可能出现故障。为确保设备的可靠性，缩小其重量和体积，人们迫切需要在电子技术领域来一次新的突破。1957年苏联成功地发射了第一颗人造卫星这一震惊世界的消息引起了美国朝野的极大震动，它严重挫伤了美国人的自尊心和优越感，发达的空间技术是建立在 先进的电子技术基础上的。为夺得空间科技的领先地位，美国政府于1958年成立了国家航空和宇航局，负责军事和宇航研究，为实现电子设备的小型化和轻量 化，投入了天文数字的经费。就是在这种激烈的军备竞赛的刺激下，在已有的晶体管技术的基础上，一种新兴技术诞生