1、课 程 名 称 学科前沿 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 理 学 院学科前沿课程研究报告21 世纪，随着现代科学技术的飞速发展，人类历史即将进入一个崭新的时代 信息时代。其鲜明的时代特征是，支撑这个时代的诸如能源、交通、材料和信息等基础产业均将得到高度发展，并能充分满足社会发展及人民生活的多方面需求。根据对国内外电子科学与技术行业的现状和发展趋势分析，美国、西欧、日本、韩国、台湾地区的电子科学与技术产业已经步入上升轨道。中国随着市场开放和外资的不断涌入，电子科学与技术产业开始焕发活力。中国“十一五” 规划的建议书将信息产业列入重点扶植产业之一，中国军事和航天事业的蓬勃发
2、展也必然带动电子科学与技术行业的发展和内需。中国电子科学与技术产业将有一个明显的发展空间，高科技含量的自主研发的产品将进入市场，形成自主研发和来料加工共存的局面；中国大、中、小企业的分布和产品结构趋于合理，出口产品将稳步增加；高技术含量产品将向民用化发展，必然促进产品的内需和产量。一、电子信息科学学科领域的技术电子信息科学学科领域的技术包括：微电子技术、嵌入式系统技术、计算机控制技术、通信技术、传感器技术等。二、电子科学学科领域各技术的现状分析1、微电子技术现状分析微电子技术一般是指以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元器件和电路，实现电子系统功能新型技术，主要涉及研究集成电路的设计、制
3、造、封装相关的技术与工艺。由于实现信息化的网络、计算机和各种电子设备的基础是集成电路，因此微电子技术是电子信息技术的核心技术和战略性技术，是信息社会的基石。微电子技术相关行业主要是集成电路行业和半导体制造行业，它们既是技术密集型产业，又是投资密集型产业，是电子工业中的重工业。与集成电路应用相关的主要行业有：计算机及其外设、家用电器及民用电子产品、通信器材、工业自动化设备、国防军事、医疗仪器等。1）国际情况：微电子工业发展的主导国家是美国和日本，发达国家和地区有韩国和西欧。从技术层面上考虑，集成电路制造技术的发展经历了 6 个阶段：小规模集成电路（SSI）(1962 年)、中规模集成电路（MSI
4、）(1966 年)、大规模集成电路（LSI）(1967年)、超大规模集成电路（VLSI）(1977 年)、特大规模集成电路（ULSI）(1993 年)和 巨大规模集成电路（GSI）1994 年。2）国内情况：中国微电子技术产业现状分为大陆和台湾地区。中国台湾地区，90 年代半导体工业进入迅猛发展时期，1991 1997 年间其工业规模年均增长率高达 32%。已经成为世界半导体制造中心和国际上主要的芯片供应地。特别是在半导体晶片生产方面，其产量占全世界晶片产量的 20%。中国内地，集成电路起步于 1965 年。但在之后 30 年间发展缓慢，与世界发达国家和地区的差距愈拉愈远。到了“九五” 计划期
5、间，国家加大投资, 才拉开了新世纪中国内地加速发展微电子产业的序幕。通过启动“909 工程” ，成功建成 25 条芯片制造线。中国集成电路市场持续快速增长。2003 年中国集成电路产量为 96.3 亿元，产值达到 1470 亿元，比 2002 年增长 22.5%。巨大的市场吸引国际知名集成电路企业纷纷来华投资。2、嵌入式系统技术现状分析随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝 99 年 1 月访华时预言，45 年后嵌入式智能（电脑) 工具将是 PC 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士 98 年 11 月在武汉全国
6、第 11 次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术 一文中，对未来 10 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999 年世界电子产品产值已超过 12000 亿美元，2000 年达到 13000 亿美元，预计 2005 年，销售额将达 18000 亿美元。进入 20 世纪 90 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的 DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播（DAB）也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产
7、业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒，核心技术就是采用 32 位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，GUI 屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的 PDA 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用
8、于 ATM 机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的 ADSL 产品，结合网络，控制，信息，这种智能化，网络化将是家电发展的新趋势。硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。从软件方面讲，也有相当部分的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有 WindRiver、Microsoft 、QNX 和 Nuclear 等
9、产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台 DeltaSystem，中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系统（虽然还不够完善） 。同时由于是研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都相对来说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造性。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 1 万亿美元，1997 年来自美国嵌入式系统大会(Embedded
10、 System Conference)的报告指出，未来 5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年 1500 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称， “福特出售的 计算能力已超过了 IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998 年 11 月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS 的 Embedded Internet 成为一个技术新热点。在国内， “维纳斯计划”和“女锅计划” 一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息 j 家电这两年更成了 IT 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌
11、入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。3、传感器技术现状分析传感器技术是现代科技的前沿技术, 是制造业自动化和信息化的基础，国外已经得到迅速发展。随着国内工业自动化、信息化和国防现代化的发展, 传感器的年需求量持续增长。由于国内传感器技术的创新和新产品开发能力落后于国外先进水平, 制约了工业自动化和信息化技术的发展。4、计算机控制技术现状分析计算机控制就是用计算机对一个动态对象或过程进行控制。在计算机控制系统
12、中，用计算机代替自动控制系统中的常规控制设备，对动态系统进行调节和控制，这是对自动控制系统所使用的技术装备的一种革新。这一革新，改变了自动控制系统的结构，也导致对这类系统的分析和设计发生较多的变化。在初步介绍计算机控制系统之后，分别介绍计算机控制技术的特点和基本设计过程。随着计算机技术的发展，计算机控制越来越深入地渗透于生产之中。因此，设计一个性能良好的计算机控制系统是非常重要的。计算机控制系统包括硬件、软件和控制算法3 个方面，一个完整的设计还需要考虑系统的抗干扰性能，使系统能长期有效地运行。在综述部分对计算机控制技术的发展方向进行展望。近年来我国在控制规律、控制方案、实施技术以及大规模的集
13、中控制方面，有一定数量的成功典型，经济效益也比较显著。近年来，还开始运用数学模型方法，探讨和推广现代控制理论在化工过程控制中的应用，结合微型计算机的推广应用，不少项目开展了计算机控制和调度管理的研究，使生产的技术水平和经济效益都有较大的提高5、通信技术现状分析随着经济社会的发展、科学技术的进步以及法制建设的不断完善,通信技术得到了迅速的发展,但在发展的过程中,也出现了一系列问题,遇到了很多的障碍,很重要的障碍就是技术上的问题,目前我国正逐渐进入3G时代,通信技术在我国取得了令全球瞩目的快速发展。如今,通信技术随着科技的发展取得了出色的成绩,这一应用已深入到人们生活和工作的各个方面,包括日常使用
14、的手机、无线电话等,其中 3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统、数字电视都是 21 世纪最热门的无线通信技术的应用。移动通信技术在中国从第一代发展到第四代的移动数据、移动计算及移动多媒体运作的移动通信技术。所有技术的发展都不可能在一夜之间实现，从、到第代，需要不断演进，而且这些技术可以同时存在。是技术的进一步演化，是在传统通信网络和技术的基础上不断提高无线通信的网络效率和功能。同时，它包含的不仅仅是一项技术，而是多种技术的融合。不仅仅包括传统移动通信领域的技术，还包括宽带无线接入领域的新技术及广播电视领域的技术。三、电子科学学科领域各技术的发展趋势1、微电子技术的发展趋势21 世纪的微电
15、子技术将从目前的3G 时代逐步发展到3T 时代，即存储量由Gb 发展到Tb，集成电路中器件的速度由GHz 发展到THz，数据传输速率由Gbps 发展到Tbps。以硅基CMOS 电路为主流工艺，21 世纪硅微电子技术的发展趋势主要体现在三方面: 一是继续增大晶圆尺寸和缩小器件的特征尺寸。发达国家和地区正在向纳米阶段进军。二是集成电路( IC) 将发展成为系统集成芯片( SOC) 。SOC进一步发展，可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这是一个更广义上的系统集成芯片。SOC 是微电子设计领域的一场革命，21
16、世纪将是SOC 技术真正快速发展的时期。三是微电子技术与其它学科相结合。典型例子是微机电系统技术( MEMS) 和生物芯片2。前者是微电子技术与机械、材料、传感器等多学科交叉产生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。21 世纪人类将全面进入信息化社会，对微电子信息技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。2、嵌入式系统技术发展趋势信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：1)嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式
17、系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。比如三星在推广 Arm7，Arm9 芯片的同时还提供开发板及支持包（BSP） ，而WindowCE 在主推系统时也提供 Embedded VC+作为开发工具，还有 Vxworks 的Tonado 开发环境，DeltaOS 的 Limda 编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。2)网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构
18、更加复杂。这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如 32 位、64 位 RISC 芯片或信号处理器 DSP 增强处理能力，同时增加功能接口，如 USB，扩展总线类型，如 CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOC）的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 3)网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络
19、接口，除了支持 TCP/IP 协议，还有的支持 IEEE1394、USB 、CAN 、Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。软件方面系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入 Web 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。4)精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，
20、又需要发展先进嵌入式软件技术，如 Java、Web 和 WAP 等。5)提供友好的多媒体人机界面嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。目前一些先进的 PDA 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。3、传感器技术的发展趋势我国传感器技术发展方向就当前科技技术发展来看，我国主要传感器技术今
21、后的发展方向可有几方面：1 ）新材料的研发。随着材料行业对传感器敏感材料进一步的开发，传感器新敏感材料不断推出，高新材料已广泛用于新型传感器制造研发中，新材料的开发对传感器行业起着决定性的作用。2）向集成化、智能化、数字化发展：随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能， 其输出不再是一个单一的模拟信号（如 0-10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有点甚至带有控制功能，即智能传感器。3.3 向微功耗及无源化发展： 传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向。4、计算机控制系统的发展趋势DCS 和工业控制计算机技术正在相互渗透
22、发展，并扩大各自的应用领域。原来一般流程工业的控制多选用集散型控制系统（DCS），离散型制造业的控制多采用可编程控制器（PLC）。随着 DCS 和 PLC 相互渗透发展继而扩大自己的应用领域，将出现 DCS 和 PLC 融合于一体的集成过程控制系统。工业控制网络将向有线和无线相结合的方向发展。计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了基于无线技术的网络化智能传感器。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。工业控制软件己向组态化方向发展，工业控制软件主要包括人机界面软件、控制软件以及生产管理软件等5、通信技术的发展趋势基于现
23、代通信技术的发展现状, 结合计算机网络技术, 再考虑到市场动态、客户需求,未来通信技术的发展将具备以下特点。(1)从点对点。演进到多点对多点间通信发展:传统的点对点应用整合方式,已无法满足市场的发展需求, 而采用平衡发送和差分接收的方式实现一个主机与多个从机之间的通信,如电视会议系统等,将是未来通信技术的一大发展趋势。(2)双(多)向控制:这样的交互性表现在内部对象间任意复杂的通信, 参与通讯的任何一方如果没有以隧道方式进行工作,都可发出控制请求并得到系统的响应。(3)实时性:随着CPU、内存等硬件运行速度的不断提高,交换设备的信息量、信息熵、码元速率、信息速率以及信道容量也在不断提高,这样不
24、但提高了系统的实时性,也极大的提高了系统的可靠性。例如:可视电话、www 等服务项目中的静态图像传送, 将来很可能逐渐被常规实时动态差分GPS 所替代。构建立体、多元化的通信网络系统:人类从外界获得的信息约 90%来自视、听、触、嗅、味觉,而由于当前的通信技术只能提供试听业务, 已经不能满足人们越来越多的对于多媒体业务的需求。未来市场的需求必定会对信息化系统的建设提出了更高要求, 要求它对信息源的收集、加工处理、存取和利用更接近自然,更接近人的生活。虽然在正常人的生活中,90%的信息量是由视觉获取的,但更加全面、更加逼真的信息交流始终是人类追求的更高目标。因此,未来通信的信息将是在视、听、触、
25、嗅觉上呈现立体拟真享受。(4)信息再现的仿真化:通信系统传输的信息在到达目的地后, 需要电子数据的形式将文字、图像、声音、动画等多种形式恢复再现。以目前通信系统中普遍使用的显示器、音箱、耳机、打印机等配置,其恢复的视场、声场总是与真实相去甚远。而近年来以虚拟现实技术和面向对象的仿真方法相结合的仿真系统,却可以对场景的模拟达到很高的水平。因而,通信技术是未来实现高数据速率传输、改善传输质量、提高系统容量的重要途径,高仿真度也将是其一大特点。四、电子科学学科的应用前景电子科学学科领域各技术的发展使得物联网应运而生。物联网是继因特网之后将对人们日常生活带来巨大变化的又一新兴技术。工业和信息化部发布的
26、“十二五”物联网发展规划明确了“十二五”期间将重点发展物联网综合产业，物联网已成为行业发展的新热点。我国物联网经过近年来的快速发展已从概念阶段进入到应用领域，在许多领域的技术已达到国际先进水平。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于动物、植物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量大大超过目前的手机数量，这将大大推进信息技术元件的生产，给市场带来巨大商机。引导企业间通过联合并购、品牌经营、虚拟经营等方式形成大型的物联网企业或企业联合体，提高产业集中度，这是物联网企业的发展趋势。作为未来信息科技发展的方向，物联网必将融入我们每一个人的日常生活，就如互联网一样无法抗拒，渐渐与生活息息相关。
