微電子技術(shù)與新技術(shù)革命

余修武，余員琴，黃海軍，杜秋來

YU Xiu-wu1,2，YU Yuan-qin1，HUANG Hai-jun1，DU Qiu-lai1

（1.江西渝州科技學(xué)院，新余 338029；2.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070）

1 新技術(shù)革命的發(fā)展背景

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)以及人類現(xiàn)代文明迅速發(fā)展等多方面需求是新技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的根本動力?，F(xiàn)代自然科學(xué)發(fā)展的巨大成就為新技術(shù)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)；還有一個刺激新技術(shù)產(chǎn)生與發(fā)展的重要因素就是戰(zhàn)爭和對抗。如今社會的各個領(lǐng)域都離不開微電子、計算機、通信與信息、智能控制等新技術(shù)，電子技術(shù)且是這些新技術(shù)的基礎(chǔ)和支柱。新技術(shù)革命對人類的影響不僅是經(jīng)濟，且擴及到政治、軍事、家庭和社會生活的各方面。

2 微電子技術(shù)與新技術(shù)革命的主要內(nèi)容

2.1 微電子技術(shù)

電子器件的使用促進了電子技術(shù)的發(fā)展。進入微電子時代是從1978年研制成超大規(guī)模集成電路開始的，微電子技術(shù)是指在幾mm2的半導(dǎo)體材料上，制出10萬多個晶體管構(gòu)成的微縮單元電路，并用這些電路裝配成各種微電子設(shè)備的總稱。近年來，廣義的微電子技術(shù)是指集成電路及其應(yīng)用技術(shù)和生產(chǎn)的產(chǎn)品的總稱。該新技術(shù)節(jié)約材料、能源、空間和勞工，具有效率高，環(huán)境污染少等特點。

此技術(shù)廣泛向其他工業(yè)技術(shù)應(yīng)用滲透，使傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的變化。已滲透到諸如計算機、交通與通信、醫(yī)療衛(wèi)生與生物工程、生產(chǎn)與制造等各方面[1]，引發(fā)機械工業(yè)大變革機械電子自動化。如數(shù)控機床、智能儀表、汽車自動化、機器人等，具有適應(yīng)、判斷、決定、控制等高級功能。目前用該技術(shù)制成的心臟起搏器已植入人體，將來可制成神經(jīng)元件植入人體，有助于恢復(fù)運動功能或視聽。微電子技術(shù)的發(fā)明和火的使用、蒸汽機的發(fā)明一樣，對人類來說具有劃時代的意義。該技術(shù)的誕生是當代電子技術(shù)的突破，并由此引發(fā)了電子技術(shù)領(lǐng)域的革命。

2.2 計算機技術(shù)革命

計算機技術(shù)與微電子結(jié)合后每6年左右運算速度提高10倍，成本降低10倍,體積縮小10倍。在超大型計算機發(fā)展的同時，微型計算機和微處理機也迅速發(fā)展。價格便宜、重幾十克、可放在火柴盒內(nèi)的微型計算機，能高速運算，且十分精準。50多年來，電腦性能大幅提升，從千次/s運算，到現(xiàn)在100億次/s運算，提高了千萬倍；相對價格從1000萬$/萬次，下降到1$/萬次，價格也下降了千萬倍。該價格變化在技術(shù)史上實屬罕見。

大規(guī)模集成電路以硅為主要材料有體積上的限度，歐美與日本等國開始研制以生物材料制作芯片的生物計算機，即模擬人腦的第六代計算機。美國1983年提出了研制生物計算機的設(shè)想，1988年提出了投資4億美元研制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機計劃；日本1986年制定了開發(fā)生物芯片的10年計劃，1988年定為神經(jīng)計算機元年；美國1995年的英特爾公司、卡爾斯巴德神經(jīng)半導(dǎo)體公司已經(jīng)向市場推出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成電路芯片[2]。計算機已全面滲透到社會各部門及人們的學(xué)習(xí)和生活中。各國都力圖駕馭這種計算機與信息化的社會進程，以便更快邁進高度社會信息化時代。

2.3 通信與信息技術(shù)革命

信息獲取、傳遞、處理等是信息技術(shù)的主要內(nèi)容。“通信＋計算機＋智能軟件”促進了信息技術(shù)飛速的發(fā)展。通訊與計算機構(gòu)建起來的全球網(wǎng)絡(luò)已成為有史以來建造的最大機器。計算機、數(shù)字化和衛(wèi)星通信三種技術(shù)的融合，人類迎來了信息技術(shù)的第三次革命。一是文字發(fā)明，二是活字印刷，三是信息全球化革命。現(xiàn)代信息技術(shù)已在新科學(xué)技術(shù)革命浪潮中獨占鰲頭。如今信息就是資本,信息就是生命，擁有最新有效信息，就擁有競爭發(fā)展優(yōu)勢。

人類積累的知識，有人估算用光纖傳輸，只需4分鐘就可完成。綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是以光纖通信為主體,衛(wèi)星通信、無線通信為輔的智能化、寬帶化、信息化社會的一個主要標志。通信技術(shù)涵蓋數(shù)字、移動、光纖、衛(wèi)星等通信內(nèi)容。數(shù)字通信可高速傳輸巨大而復(fù)雜的信息任務(wù)；移動通信適應(yīng)了現(xiàn)代社會快節(jié)奏和人員流動性強的需要；光纖通信可傳遞計算機數(shù)據(jù)、電話、彩色電視和傳真；衛(wèi)星通信廣泛用于國際和國內(nèi)通信，包括電視、廣播中繼和海事通信、軍用通信等。通信已成為先進工業(yè)社會的“神經(jīng)”[3]。在計算機與通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是電腦、通信和多媒體的大聯(lián)合，互聯(lián)網(wǎng)是各國網(wǎng)絡(luò)群聯(lián)成的世界網(wǎng)絡(luò)，其信息資源是全人類共享的，在人類社會中起著十分重要的作用。

2.4 生物電子技術(shù)革命

液體晶體管和DNA調(diào)度——伯克利分校發(fā)布了一個里程碑式的成果--液體納米晶體管。這是電子技術(shù)史上繼半導(dǎo)體、集成電路之后的第三次偉大革命，特別在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。該成果主要由旅美華人科學(xué)家楊培東團隊完成。研究裝置是夾在兩片二氧化硅晶片間的一個直徑只有35nm的通道，在管內(nèi)填滿液體氯化鉀，作電極的晶片在一定電壓下即可實現(xiàn)對鉀離子的“調(diào)度”。一旦納米管的直徑達到μm級，鉀離子就不會“聽話”，因液體會自由流動而失去nm尺度下的特性。若將液體氯化鉀換成生物酶或蛋白質(zhì)等，其在裝置中的運動軌跡和形態(tài)便可輕易觀測和追蹤；假如改換DNA，其各異特性的片段所出現(xiàn)的不同運動狀態(tài)將給醫(yī)藥學(xué)家廣闊的想象空間。如用類似裝置，只需少量幾個癌細胞樣品完全可實現(xiàn)診斷出其在抗體作用下的各種反應(yīng)，從而做到癌癥在無創(chuàng)情況下的早期診斷和治療。

納米集成電路有望——楊培東保守的認為采用同一原理制造nm級的“液體集成電路”還有較長的路程，但同行確信的認為楊將最基本、也是最困難的工作已完成，剩下的只是時間問題。一旦納米液體集成電路成為現(xiàn)實，無法想象整個電子工業(yè)將發(fā)生一場怎樣的革命?，F(xiàn)有的電子器件，半導(dǎo)體界面都是二維的。楊的研究小組實現(xiàn)了二維半導(dǎo)體界面向一維的轉(zhuǎn)移，這其中大大縮小了半導(dǎo)體界面的接觸面積，這將產(chǎn)生廣闊的應(yīng)用前景。在光電器件、微電子和計算器件、生物化學(xué)傳感器等領(lǐng)域，都將產(chǎn)生一場偉大的技術(shù)變革。

2.5 汽車電子技術(shù)革命

智能安全——在提高車安全性能方面計算機智能控制所發(fā)揮的作用越來越大。在接近前面車輛時是否速度太快，車上的智能巡航控制系統(tǒng)通過發(fā)射掃描光束來探測，對司機發(fā)出警示或直接剎車控制。Philip Headley將這些可避免交通事故的安全系統(tǒng)稱作“汽車工業(yè)的又一次革命”。車安全系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢是當車載智能系統(tǒng)認為該車要發(fā)生碰撞事故時，就會同時自動剎車、拉緊安全帶、關(guān)上車窗和拉下遮陽板，且將座位調(diào)到最安全的角度。還將配有夜視裝置，在車燈光還未照到時，也能顯示前面的人畜[4]。

車載電子——電子裝置在車上的應(yīng)用日趨復(fù)雜，設(shè)法將眾多車載電子裝置進行優(yōu)化融合是發(fā)展的新趨勢。司機特希望將車上的娛樂系統(tǒng)與音樂播放器、掌上電腦及其他裝置進行合成，達到高效便捷和空間成本的最優(yōu)化。目前汽車生產(chǎn)成本中20%的比例為電子部件，到2015年這一比例將在40%以上。IDrive就是利用一個智能系統(tǒng)的“中心菜單”來控制導(dǎo)航、車內(nèi)音響及溫度等功能。OnStar是通用公司正在大力開發(fā)的電子系統(tǒng)，將其從車道行駛輔助系統(tǒng)擴展到語音識別，司機可用語音命令接聽手機、查詢股票等[5]。

2.6 無線電源技術(shù)革命

無線電源——06年無線電力傳輸領(lǐng)域誕生了一項革命性技術(shù)“無線電源”。MIT研究小組利用自制的無線電力傳輸裝置向2m外的60W燈泡供電，被成功點亮。引發(fā)全球各大新聞媒體上“Wireless Power Transfer” 和“Goodbye Wires”的標題隨處可見。如果無線電力傳輸在效率、安全等方面被攻克，那將是顛覆性的技術(shù)變革。美國Powercast無線電源技術(shù)就是一個實例，其匹茲堡一家動物園就采用了該技術(shù)，對企鵝籠舍中溫濕傳感器的可充電池進行遠程無線充電。2年內(nèi)荷蘭飛利浦電子將上市基于該技術(shù)的照明器具。

非接觸充電——在MIT與Powercast的一項使電源線消失的技術(shù)在穩(wěn)步發(fā)展，即“充電非接觸技術(shù)”。只要將手機放在專用臺上，就可進行非接觸充電。特適用于突出防水性能的密封性手機，也可同時對多種便攜設(shè)備進行非接觸充電?；诰€圈電磁感應(yīng)的非接觸充電技術(shù)，現(xiàn)已被PHS、家用無線電話、電動牙刷采用。目前因傳輸電力不夠，對大電力的手機應(yīng)用還沒達到要求，且存在效率低導(dǎo)致發(fā)熱量大的安全問題?，F(xiàn)日本對于非接觸充電系統(tǒng)、傳輸電力效率較高的線圈開發(fā)日益活躍，關(guān)注的焦點是防止錯誤充電的ID認證及充電同時高速傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

當今世界正強烈受到新的技術(shù)浪潮的沖擊，電子技術(shù)的突飛猛進，促使了許多新的相關(guān)革命性技術(shù)的誕生。以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機、通信與信息、生物電子、智能與控制等新技術(shù)是以往歷次所無法比擬的，可以說是世界性、全方位的新技術(shù)革命。它滲入到人們的生活以及一切生產(chǎn)活動之中，已成為了現(xiàn)代生產(chǎn)與生活的主要支柱、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)，使人們的生活與工作發(fā)生了根本性變化，生產(chǎn)力質(zhì)變時期已經(jīng)到來。

[1]晏伯武,兆春.微電子技術(shù)發(fā)展和展望[J].艦船電子工程，2007,5：7-10.

[2]計算機技術(shù).http://baike.baidu.com/view/62176.htm,2007-9-15.

[3]呂延杰.通信技術(shù)：過去現(xiàn)在未來[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報，2007,l9（2）：19-22.

[4]陶琦.國際汽車電子技術(shù)縱覽[J].電子技術(shù)與應(yīng)用,2005,（5）：47-60.

[5]郭宏亮,等.基于單片機控制的汽車轉(zhuǎn)向同步照明裝置[J].制造業(yè)自動化,2009,（7）：121-123.