第六章高技术的崛起

1第六章：高技术的崛起第一节新技术革命的蓬勃兴起20世纪80年代以来,迅速崛起的以微电子为中心的信息技术，生物工程，新型材料，航天技术和海洋开发等新技术革命蓬勃兴起。高科技的迅速兴起对世界经济发展显示出美好前景，对人类生活和生产活动的影响从来没有达到现在这样的深度和广度。渗透到经济和社会生活的各个领域，特别是高新技术及产业的迅速发展对经济和社会演变产生了广泛的影响，并成为社会经济发展的强大动力。许多国家都把经济发展置于优先地位，而经济的发展又越来越依赖于高科技的发展。因此，包括许多发展中国家在内的世界各国都在竞相加大科技投入，争夺高科技领域的领先地位。西方工业发达国家将这场蓬勃兴起的新技术革命称为“第四次工业革命”或“第四次产业革命”。第二节信息技术的率先发展2.1电子计算机技术电子计算机是人类在20世纪创造出来的最伟大的工具，它的出现对生产制造、经济、军事、社会文化以及人类生活各方面产生了巨大的影响。在当今的信息社会，人们对计算机的依赖程度越来越高，计算机已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。一、计算机的诞生微电子技术最重要的应用领域是计算机领域。近几十年电子计算机不断地升级换代主要得益于微电子技术的发展，但人类制造计算工2具和发展计算技术却有着悠久的历史。在古代，中国就有了用于计算的算筹、算盘。17世纪，由于钟表制造技术和计算工具的结合，在欧洲出现了最早的机械计算器。1642年，法国数学家帕斯卡造出了手动加法器。1671年，德国数学家莱布尼兹发明了可以进行四则运算的计算器。1822年，英国数学家巴贝奇(C.Babbage，1792—1871)制造了第一台差分机模型，它不但能完成算术运算，而且还可以自动完成系列运算，包含着程序设计的萌芽。1834年，他借助机械中的自动控制功能，设计出一台分析机的模型，这是历史上第一个具有运算器、储存器、输入输出等设备的通用计算机，可完成所有的算术运算，是现代计算机的雏形。巴贝奇制造的差分机和分析机是早期计算机最杰出的成果。19世纪末20世纪初，随着电动技术的发展，计算机的动力方式也得以改进，计算机由机械时代进入机电时代。1941年，德国工程师楚泽(K．Zuse，1910一)发明了第一台程序控制通用机电式计算机。该机全部由电磁继电器制成，采用了浮点计数、二进制运算、带数字存储地址的指令形式。美国科学家艾肯(H.Aiken，1900—1973)也于1944年和1946年制造出两台全继电器操作的汁算机(Markl和Mark2)，加法运算仅需0.3秒，而乘法则需6秒。机电计算机虽然比机械计算机有了长足的进步，但其速度慢、准确性差的弱点限制了它的进一步发展。20世纪30年代以来，电子管的发明和电子技术的进步，为制造速度更快，性能更优越的电子计算机奠定了基础。第一台电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学的莫克莱3(J．W．Mauchly，1907—1980)负责研制成功的。第二次世界大战期间，他受命为美国的阿伯丁试炮场制定火力表。这种表每张要计算几百条弹道，为此而提出了高速计算的要求。1942年8月，为满足速度上的需要，莫克莱提出研制电子计算机的计划，得到美国陆军的支持，组成了研制小组。经过3年的努力，花费了48万美元，终于在1945年底制成了第一台电子计算机，简称ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer，即电子数值积分计算机)。这台计算机共用了1.8万个电子管，重30多吨，占地170平方米，运算速度为每秒5000次，比机电计算机提高了1000多倍。电子计算机已经显示出了它在速度上的巨大优越性，开辟了人类计算历史的新纪元。由于ENIAC的计算程序是外插型的，在解题之前，必须先将全部程序准备好，这样便大大影响了运算速度。1946年，美国数学家冯•诺依曼(J．ronNeumanm，1903～1957)提出—个新的改进方案，被称为EDVAC(ElectronicDiscreclVariableAutomaticComputer，即离散变量自动汁算机)。新机型用二进制数代替十进制数，进一步发挥了电子元件的速度潜力，并将程序外插改为程序内存，使计算机可以从一个程序指令自动进入下一个程序指令，全部运算成为真正的自动过程。EDVAC也称冯•诺依曼机，是现代电子汁算机的基础，冯•诺依曼也被称为现代计算机的奠基人。二、计算机的发展及趋势冯•诺依曼机的设计方案揭开了现代计算机的历史新篇章。根据电子器件的不同，计算机的发展大致可以分为以下几个时代：4第—代计算机——电子管计算机(1946一1956)。这—代的计算机基本上采用电子管作为电子元件，机器结构是程序内存式，运行速度一般是每秒几千到几万次，计算全部实现自动化。和后来的计算机相比，它有运行速度不高、可靠性差、体积大、维修复杂等缺点。当时它的应用范围还很小，主要局限于导弹、原子弹等国防尖端科技部门。第二代计算机——晶体管计算机(1956—1962)。这一代计算机的逻辑元件和逻辑线路均采用分立的晶体管元件。1959年菲尔克公司研制的第一台大型通用晶体管计算机问世，标志汁算机已进人第二代。机器的运算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存容量从几千字节上升到10万字节。1964年，已经能制造每秒运算300万次的晶体管计算机，计算机的应用范围也扩展到商业和管理等更多的领域。第三代汁算机—一集成电路计算机(1962—1970)。60年代中期，随着微电子技术的发展，集成电路成为计算机新的逻辑元件。计算机的体积、重量、能耗大幅度降低，性能大幅度提高。1964年美国IBM公司生产的IBM—360系列问世，标志计算机进入了第三代。由于第三代计算机具有通用化、系列化和标准化的特点，大大减轻了人们购机的费用和编制程序的负担，并有利于程序的积累，促进了计算机的普及与推广。第四代计算机—大规模集成电路计算机(1970一)。这一代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算5机向着微型化方向发展。1971年，英特尔公司把2000多个晶体管集中在一块10平方毫米的芯片上，制成世界上第一台微型机“M—CS—4”，其功能包含了1945年ENIAC机的全部功能。80年代的集成电路的加工尺寸已经达到1微米级，为微型机的制造创造了条件。此后，计算机开始大规模向办公室和家庭渗透，到1983年，全世界拥有的微机超过2亿台，90年代末期，发达国家的微型电脑已经像彩电一样普及了。正是由于微型机的普及，使得原本只有少数人才能掌握的电脑走进寻常百姓家，成为人们生活的必需工具。计算机开始真正渗透到人类生活的各个领域，预示着信息化社会的到来。未来计算机的发展趋势——光学计算机和生物计算机。进入90年代，光电子集成电路的问世，揭开了光学计算机的序幕。光学计算机是用光脉冲而不是电流进行信息处理，其开关是用砷化镓光学开关，速度为每秒1000亿次，比目前的计算机快1000多倍。它能描绘出人的遗传结构、模仿人脑的构造和人的神经系统、进行多种语言翻译等等。生物计算机将比智能计算机和光学计算机具有更优异的性能，它是以人的血红蛋白作逻辑电路，用脱氧核糖核酸作存储器的。实验结果表明，生物计算机的元件密度比人脑神经元密度高100万倍，传递信息速度比人脑思维速度快100万倍，而生物芯片的大小只相当于电子芯片的十万分之一。它能够与人的大脑和神经系统有机地相连，使人机接口自然吻合，免除了烦琐的人机对话，真正成为人脑的外延。而且，它还能从人体的细胞中吸取营养来补充能量，不需要任何外界6的能源。生物计算机将为计算机的发展开辟一条充满希望的新路。2.2信息技术的社会文化影响20世纪末，以电子、计算机、网络和通信技术为基础的信息技术初步确立，它以强大的信息存储和传递功能迅速席卷了世界每一个角落，深刻地影响着人们的生活，它已超越了纯技术的界域，不断的冲击着人们的价值取向、思维方式和文化传统，在世界范围内，尤其是在发达国家中已经成为一种文化现象。第一，信息技术大大加速了信息的传播速度。信息传播速度的加快，其社会文化的意义是什么呢？信息速度加快，意味着人们不仅拥有的信息量在短时间内可以快速增加，而且更新的频率加快，能极大地刺激人们的创新意识，强化和优化人的智力。毕竟停滞导致陈旧、封闭，它和愚昧、退化相联系；运动则带来创新、开放，它和文明、进步相联系，这是人类进化的规律。第二，信息技术优化了社会生产要素。信息技术与劳动者、劳动工具和劳动对象结合在一起构成现代生产的基础。在信息时代，劳动者是掌握丰富信息资源的人，所使用的重要工具是由计算机控制的智能化及其体系，劳动的主要对象是人们开发创造的、取之不尽的信息资源。大量社会信息的开发和利用在一定程度上逐渐优化了传统观念中社会的基本资源——人力、资金、物质，大大节约了这些字眼尤其是自然资源的使用与消耗，成为推动社会经济发展的主导力量。第三，信息技术同化着世界各地区的民族意识和生产方式。社会借助信息技术，使知识信息实现了全球大流动。而这个流动直接促进7着哲学、宗教、文化、艺术、道德等意识形态的传播。信息的共创、共享过程一方面泯灭着民族、地域文化的差别，另一方面使原来在世界文化整体中处于不同层次的文化发生碰撞，走向整合。可以预料，信息时代的世界必然要走向一个统一的现代文明，而处于文明潮流之潮端得一定是人类智慧的结晶——我们称之为科学和知识的东西。第三节新材料的研究与开发材料、能源和信息是现代文明的三大支柱。材料领域的每一次变革都会引起社会的革新。材料的发展，标志着人类社会的历史进程。目前世界上的传统材料已经有几十万种，新材料在以每年5％的速度增长。新材料种类的增长来源于三个方面，即对传统材料的改进、基于基础研究和应用研究的新成果、根据实际需要设计。这三种来源代表了三个不同的层次，说明人类认识世界和改造世界的活动正在由必然王国向自由王国迈进。近20年来，由于对新材料的需求日益增长，人们希望尽可能地增加在材料研制中的理论预见性；同时，随着固体物理、有机化学、量子化学、固体力学、冶金科学、微电子学、光电子学等学科的发展，以及计算机信息处理技术的发展，使根据实际需要进行材料设计成为现代材料科学的一个方兴未艾的基础领域。3.1信息功能材料当电子管发挥着巨大的效用之时，人们又发现它有许多不足之处。由于电子设备越来越复杂，所用的电子管数量也越来越多(如一部雷达往往要用300～400个电子管)，电子管的工作要靠灯丝发热，8但灯丝的工作寿命一般只有几千小时，部分电子管失效整机就不能工作，电子管的数量越多，因个别电子管损坏而造成整机故障的可能性就越大；大量电子管给电子设备的散热造成麻烦；电子管数量越多电子设备也越笨重等等，这些问题都成了无线电电子技术继续发展的障碍。半导体和晶体管技术正好弥补了这些缺陷，从而为无线电电子技术开辟了新的天地。半导体技术的理论基础是在研究固体物质导电性能时建立的“能带理论”。我们知道，原子中的电子分布在核外多层轨道上，最外层电子(价电子)受核的束缚最弱，这些电子一旦获得足够的能量，就可以越出原来的轨道以至于成为不受原子核束缚的自由电子。金属导电能力之所以比较强，是因为它们的最外层电子比较容易摆脱原子核的束缚而在金属体内自由活动。绝缘体则是它的最外层电子不容易摆脱原子核的束缚，致使其中的自由电子极少而难于导电。半导体处于上述两种情况的中间状态。固体物质里原子间的距离十分靠近，它们的外层电子轨道会发生交叠，即这些电子不仅受到自身原子核的作用还受到相邻原子原子核的作用，还会转移到相邻原子的轨道上去，形成电子的共有化运动。由于最外层电子的轨道交叠最多，所以价电子的共有化运动最为显著。原子间价电子的共用就形成共价键。在一定的温度下，从价带被激发到导带上的电子和价带上所出现的空穴是不会越来越多的，因为无规则运动的电子不仅会由价带跃迁到导带，而且也会与价带中的空穴相遇而使一对载流子消失。所以对于一定的温度来说，它的导电性能是一定的。固体能带理论揭示了半9导体的导电机理，这就为晶体管的发明奠定了基础。3.2能源功能材料功能材料的特点是超越了材料的力学结构性能，利用材料的