技术电子管计算机

专栏44现代科技发展之旅文化、科学与技术的发展带来了人类的文明与进步.
创新是人类前进的动力,是认识自然、认识自我、发展自我的重要过程,是人类走向文明的重要过程,而创新与文化密不可分.
13世纪末,欧洲文艺复兴产生了近代科学和艺术;20世纪初,无线电和微电子技术的发展,带来了近代微电子革命,造就了今天的网络信息时代,造就了硅谷传奇和硅谷文化;进入到21世纪,互联网技术的普及和智能手机的出现更体现了人类技术的巨大发展和飞跃,造就了真正的微光机电系统下的集成时代,智能手机和文化融合成为时代的主要特征.
创新与文化是一个耐人寻味值得探讨的问题,创新代表了从无到有,从旧到新,而文化代表了一种人文环境和氛围.
如果说创新是一粒希望的种子,那么文化就代表了孕育的土壤.
一粒种子能否在合适的土壤上孕育成长,培育出什么样的树木,是参天大树还是小草,则完全取决于种子、取决于种子的生命力和土壤的特性和环境.
种子代表个性,土壤代表社会属性.
大地百花丛生,万类霜天,到处生机勃勃,代表了大地的博大和包容,"海纳百川".
创新思想的萌芽,往往来源于一些思想和洞察力不同凡响的人,他们或受到自然的启发,或受到不同技术和工具的影响,或受到不同思想的撞击,从而产生了对自然奥秘的思索,产生了探索的动力.
而这种思索逐渐影响到其他人,形成了文化氛围,不同文化或信仰造就出不同的人才,推动社会向前.
文艺复兴与科学技术牛顿(1643~1727年)有两句名言.
一句是:"我之所以比别人看得更远,是因为我站在巨人的肩膀上.
"另一句是:"我不知道世人对我怎样评价.
我却这样认为:我好像是在海上玩耍,时而发现了一个光滑的石子儿,时而发现一个美丽的贝壳而为之高兴的孩子.
尽管如此,那真理的海洋还神秘地展现在我们面前.
"牛顿说的这两句话是谦虚吗我认为,丝毫不是他的谦虚,而是一种客观实际的陈述.
牛顿三大力学定律不是凭空而来.
因为在那时,五百年多年前的欧洲,甚至更早,已经出现了提出太阳中心说的哥白尼(1473~1543年),以及现代科学之父伽利略(1564~1642年)等著名人物,他们一直在潜心研究物体之间的相互作用关系,从细微的生活中、从抬头仰望的星空中,体察物质之间的相互作用规律.
他们对自然、对宇宙的认识无疑开启了牛顿内心的哲学世界.
欧洲近代科学的起源和产生无疑是动人心弦的,而这与文艺复兴是分不开的.
在13世纪末期,奥斯曼帝国不断侵略东罗马帝国,导致东罗马人民纷纷逃向商业发达的意大利,他们同时携带了大量的古希腊、古罗马的文化典籍和艺术品.
此后,意大利一些新兴资产阶级中的思想者,借助这些文化进行创作,宣传人文精神,之后扩展到西欧等国,并在16世纪盛行,由此带来了一场思想文化运动,带来了欧洲科学与艺术繁荣发展时期.
在人类科学研究的历史长河中,这个时期的研关键词:文化与科技文明与创新鲍海飞中国科学院上海微系统与信息技术研究所45究是一种主动的、个人兴趣驱使下的,像喷泉流水一样的自发型研究.
当波兰的哥白尼仰望星空提出日心说的时候,神秘宇宙的大幕已经向迷茫的人类投下了诱人的灵光.
当伽利略从意大利比萨斜塔上同时扔下两个重量不一、大小不一的金属球时,大地被他惊醒,人类已然大阔步开始了自然科学的探索研究之旅.
科学史上为我们留下了一个又一个巨人深深的足迹:英国物理学家牛顿、生物学家达尔文(1809~1882年)、法国昆虫学家法布尔(1823~1915年)、德国物理学家爱因斯坦(1879~1955年)等.
如果没有牛顿对数学和自然的痴迷,没有乡村的苹果园,或许我们就看不见他的彩虹和苹果了;如果没有达尔文对大自然的追求和向往,我们或许很难看到《物种起源》等名著;如果没有瑞士伯尔尼专利局这个宁静的去处,或许就没有爱因斯坦这样一个划时代人物的出现;法布尔幼年就在乡村祖父家中居住,被蝴蝶和蝈蝈等小昆虫所吸引,成年之后移居乡野,以大自然为实验室,开创了他的《昆虫记》.
这个时代是属于自然的时代、阳光的时代和梦想的时代,可以无限地、无忧无虑地仰望星空、俯瞰大地.
个体对宇宙和自然有一种发自内心的关注和疑问,有一种发自内心的向往和探索.
在那一段历史时期,他们不属于哪个实验室,也不属于什么大学,他们的思想是自由的,他们的行为是接近自然的,他们的仰望是遥远的.
他们属于天马行空的思想时代,万有引力、进化论、相对论和量子力学,一个个思想的巨人!
逐渐地,蒸汽机、电动机、无线电等的发明都极大地促进了知识的传播与人类活动.
他们一下子把我们的视野带到了无穷的宇宙.
而这些无疑与当时整个欧洲的文艺复兴密不可分,文艺复兴带来的是文学、建筑、技术等,更带来的是不同国度、民族的思想碰撞,导致了人类一场自身向外探求的精神和动力,开创了近代科学的起源和巨大飞跃.
微电子技术与硅谷文化翻开历史的另一页,晶体管的诞生带来了集成电路和新的流水线式的集成制造技术.
早在1945年二战结束后,在欧洲和美国等,就对通讯和电子设备技术提出了越来越高的要求,当时考虑到越洋电缆的架设,提出设备要有20年的使用寿命.
美国国家实验室从战后的恢复中,根据需要进行相应的转型,有一些实验室转向了基础研究,以开发新技术.
贝尔(Bell)实验室的凯利敏锐地意识到当时电报电话系统技术的不足,虽然电子管已经能够满足其中绝大部分的要求,但其个头大、耗电大、速度慢、容易碎,还需要手工安装和更换,成为限制大批量快速生产制造的一个主要矛盾,同时对其长时间使用的可靠性提出苛刻的要求.
于是,他们开始寻找体积更小、功耗低、无噪音、频率响应快、不容易破碎、容易制造安装、寿命长的器件来代替,这导致了1947年晶体管的诞生.
这是值得人们纪念的一年.
1956年,贝尔实验室美国科学家巴丁、布莱顿和肖克莱三人由于晶体管的发明同时获得了诺贝尔物理学奖.
在这之后的十几年时间,贝尔实验室发明和创造了半导体晶体管和集成电路,开发了基于硅的具有批量和系统的制造技术.
以此,贝尔实验室在美国加州的硅谷高新技术开发区又衍生出了众多的半导体加工制造公司和集团.
这些技术的发明和集团的产生无疑将人类引向一个全新的微制造、微加工创造的新纪元.
因为只有做得小,才能将更多的功能集于一体.
硅谷的诞生与20世纪30年代美国西海岸的斯坦福大学机电工程系的一个教授特尔曼(FredTer-man)先生有关.
当时正值美国大萧条时期(GreatDepression,1929~1933年).
特尔曼教授一直为该系的学生能否找到好的工作而担忧——他最好的学生不得不到东海岸在无线电领域谋个职位.
他心中的一个念头就是要在斯坦福大学附近建立当时的新兴无线电技术中心,以此解决就业和留住人才.
他第一步便是把曾经从该系毕业的两个学生招回来,让他们继续深造无线电技术,这两个学生就是今天惠普公司(HP)的创始人:威廉·惠利特(WilliamHewlett)和戴维·帕卡德(DavidPackard).
他们之所以没有马上开"公司",是因为特尔曼考虑当时正值美国大萧条,要先养精蓄锐.
随后不久,1938专栏46年,这惠普二兄弟终于在特尔曼教授的大力支持下,开始了无线电技术的研发,将惠利特曾经的研究论文工作——声频振荡器,研发成产品推向市场.
惠普公司自然成为硅谷(1971年被称之为硅谷)最早的创业电子公司.
50年代末,贝尔实验室晶体管发明人之一,也是诺贝尔奖获得者的肖克莱于1956年受特尔曼教授的邀请,加入到斯坦福大学工业园,在特尔曼支持下,成立了肖克莱半导体实验室.
后来雄心壮志的8个小伙子,包括摩尔定律的创始人摩尔,集成电路的发明人诺伊斯等,从全国各地慕名而来投入到肖克莱的怀抱.
但不久由于肖克莱的独断专行,这8个小伙子集体辞职,成了著名的叛逆8人(TraitorsEight),随后他们成立了仙童半导体公司,再其后,由这8人又衍生出多家半导体公司,逐步诞生和造就了今天以科技创新举世闻名的硅谷传奇.
纵观历史,清晰可见,硅谷的成立很大程度上依赖于斯坦福大学电子科学系的教授特尔曼,他有很大的社会关系网和资源,成功地连接了大学和企业,在斯坦福大学周围建立科技工业园区(大约1951年).
由此,诞生出了世界上最有创新力的地方,成为世界其他各国竞相效仿的对象,积极地复制硅谷,造就自己国家的科技创新基地.
特尔曼教授成就了学生,造就了自己.
1985年特尔曼被称为硅谷之父,而他已于1982年去世.
有文章评价特尔曼先生:他是一个卓越的、有远见的,有驾驭能力的人.
晶体管的发现不是简单的电子管的替代,而是一种全新的工作原理和模式.
集成电路也是一样,一开始完全是一种想法,如何能够将电阻、电容等器件都在同一种材料上制作出来.
随着认识的深入,开发了一套完整的利用氧化、光刻、腐蚀、显影等微加工微制造技术,形成了一整套有别于传统的手工加工模式,开创了人类真正的批量生产微制造技术,从而形成了独特的围绕着集成电路的科技发展路线图,最后形成了基于摩尔定律的创新驱动规律和集成创新文化的发展.
从表面上看,摩尔定律反映了晶圆上晶体管元器件集成度(包括密度和运算速度等)随时间不断提高的关系,但其本质上可以看做是一种衡量人类发展速度的尺度,也就是技术创新的速度.
可以说,硅谷文化就是内在驱动的、自发向上的、不断衍生和变化的技术创新文化.
这种文化具有鲜明的技术特征,即有技术的继承性,又具有技术的创新性,还具有技术的传播性.
因此,集成电路的发展造就了硅谷文化.
这种创新文化体现了不同技术的关联和融合,体现了个体之间的协作和促进,更主要的是,在这种文化氛围中,个体的思想和创艺能够得到较大程度的发挥和个人开拓进取的梦想得到实现.
第二次世界大战结束后,1946年,美国制造出第一代电子计算机——ENIAC.
这是个庞然大物,重达28吨,由18000只电子管组成,功耗为200千瓦,每秒钟只能进行5000次运算.
如果不把这些电子管换成今天的晶体管和集成电路,今天就没有人能够在手中握着手机.
从电子管计算机到今天的以晶体管为主的计算机,从固定电话到移动通讯,再到互联网,其间经历了漫长的发展过程,微纳米技术的发展和无数个科研与工程技术人员智慧艰辛的工作在其中起到了决定性的作用.
实际上,从那一刻开始,甚至更早,人们就已经在不知不觉中开始了微纳米加工技术的研究和开发,而基于硅的集成电路制造技术无疑是为此打开了一扇通讯时代的大门.
基于硅的微加工技术更是将信息的获取、传感和执行三位一体的集成时代变成现实.
1959年,美国著名理论物理学家理查德·菲利普斯·费曼(RichardPhillipsFeymann)在美国物理学会上做了一次展望报告:微观世界天地广(ThereisPlentyofRoomattheBottom).
其大意是:在微观世界有很多待挖掘的东西,主要包括信息存储、微机械、高分辨放大显示,如将《大英百科全书》雕刻在针尖上、制造微机器人和微马达等等.
国际学术界普遍认为以该文为标志,人们开始了微纳技术的研究.
在微电子发展的同时,人们就开始了微纳光机电系统(MOEMS)的研究、甚至是微组装的研究.
微纳光机电系统开创了微纳加工制造技术,制造出微纳米尺度的传感器和执行器,比如加速度传感器和陀螺等.
结合集成电路制造技术和微纳加工技47术,人们才有可能开始将信息获取、传感和执行等功能集成一体化,由此,人们才能够将器件制造得更小,功耗更低、成本更低.
微纳器件除了具有小、巧、成本低、批量制造、精确定位、微分析等优势外,还具有隐秘性、安全性和高效率.
硅的集成电路和微纳米制造技术同其他技术融合将继续引领人类技术向前大步发展,有多种潜在的应用市场待开发和完善.
因此,基于微纳技术的研究,在微纳尺度下发现了许多新的物理、化学、生物等原理和效应,从而开创了微纳传感器的研发和应用.
一个著名的例子是TI公司研发的数字微镜(DMD)技术.
可以说没有哪一个微光机电系统或器件会像数字微镜这样复杂,在1996年时,已经成功将技术发明转变成产品;没有哪一个公司会像TI公司这样,能够把光学投影中的核心光反射微镜制造得如此完美,将机、电、光巧妙地融合在一起,将IC数字控制和数以百万计的可动的微机械微镜集成在一起,成为一个史无前例的微光机电系统产品,同液晶或者阴极射线管的成像技术相比,具有高亮度、高对比度和高可靠性的特点.
它之所以复杂,是因为它不是单独的、简单的一个结构来完成一种功能,而是一个复杂的、集成的、大面积阵列式数字电控光学和机械系统,机械响应时间在微秒时间的量级上、在静电驱动下控制着百万计的微镜偏转以反射光信号投射到屏幕上(1280*1024个像元),形成图像,可以在会议室、教室、家庭影院、大型礼堂等应用.
微电子时代开创了集成电路的微制造技术开端,从而营造出硅谷的科技与文化.
由此,衍生出一种以技术为核心而酝酿出的科技创新文化,这种文化具有自发向上探索的动力.
随着硅谷模式的成功,世界许多国家和地区都有了自己的硅谷.
1980年,在中国的台湾,台北新竹区仿照美国硅谷的模式,成立了台湾新竹科学工业园.
90年代,印度的班加罗尔也按照美国硅谷模式,成立了印度硅谷.
中国大陆也孕育出众多的硅谷.
硅谷文化就是创业文化,就是创新文化.
硅谷人认为硅谷是创业公司的栖息地.
栖息地,这是一个多么耐人寻味、又多么贴切的生物学术语,以此来描述硅谷文化真是生动又形象.
栖息地还隐含着一个含义就是人与自然的和谐.
微纳技术时代为我们迎来信息互联时代打下了坚实的基础.
互联网技术与文化融合1969年也是一个载入人类发展史册的年代,互联网开始于美国,在阿帕网(ARPA)协议下,将美国四所大学的计算机连接起来.
1989年互联网逐渐在学校、研究部门和政府之间普及,1991年后被称为WWW(WorldWideWeb).
由此,人类开始走向地球村的信息时代来临了,这时距离1876年贝尔发明的电话已有将近百年的历史.
此后1993年,世界公认的第一部具有触摸屏式的智能手机西蒙(Simon)由IBM公司推出,而第一代iPhone于2007年由美国苹果公司发布.
今天,人类已经走向大数据与云计算的时代,这些技术的实现无疑与近百年科技的发展分不开.
在出现的众多技术中,智能手机无疑是最具有代表性的.
如果没有无线电通讯技术、集成电路制造技术、微纳加工技术以及互联网技术等作为基础,就没有今天智能手机的发展.
智能手机联系着每一个个人终端,智能手机是技术与文化融合的体现.
当今智能手机科技的发展是相当迅速和不可思议的,手机已从单纯的通话装置演变成为具有多用途的计算机,这代表着一个真正的宽带时代来临了.
一部手机展现的不仅仅是外表和功能,更能体现出技术发展的时代特征和文化内涵.
除了通讯、娱乐游戏、歌曲、照相、收音机、电影和信息资料的存储等功能之外,一部手机通过互联网以及全球定位系统,连接的不再是两个人的关系,而是多个人之间相互作用的关系,是人与人,人与地理,人与各种媒体、平台、服务中心(如银行、餐馆等)的交互关系.
这展示了它的互联性、信息性、多样性、服务性以及即时性等.
人们可以直接通过手机在网上学习,观看电视节目.
人们的出行交通管理、安全急救、旅馆预定、车辆导航、天气预报、银行支付等,专栏48就变得相当容易.
相伴而来,各种操作系统软件如夜空中璀璨的星河,她的耀目出现,让人目不暇接.
自然,智能手机的出现,也让许多传统产业面临着巨大的生存挑战.
智能手机以及智能技术的发展,极大地改变了人类的生活方式、工作方式、生产模式,甚至思考方式.
最重要的是,透过这"掌上明珠",形成了新的学习和思考模式,这必将伴随着新的创新模式的产生.
随之而来的智能技术将扩展和渗透到生活中的各个方面.
手机的实现体现了集成的微光机电系统功能和作用,就是一个多功能传感器、复杂的大脑和通讯网络.
2016年3月份谷歌公司推出的AlphaGo人机大战,更是将智能技术推向了一个高潮.
科技在引导人类社会从此岸走向彼岸.
如果打开一个CPU,或者一个计算机的主板,你将发现,这个微观大厦是如此美妙、美丽和丰富多彩,是如此地吸引人,这里是一个充满梦幻的世界.
构造这个微观大厦不知道要比构造城市里的宏观大厦困难多少.
随着现代微电子技术、微纳加工技术和互联网等信息技术的发展逐渐成熟,人们的创造力也将更加活跃,能够更好地将数学方法和物理原理巧妙地应用到技术中,形成极大的创新力.
人们想象的翅膀更加自由和多彩.
但创新不是凭空想象的,也不是等来的,而是基于现有技术,融合创新思想、文化理念和管理理念,一步一步脚踏实地而来.
苹果手机的实现就是乔布斯对文化追求的体现,他将其思想融入到智能手机的构建技术中.
技术随时代发展也体现了文化特征和内涵,体现出人们对技术创新理念的不断追求和完善,更体现出人类对自身梦想的追求.
因此,智能手机的实现是人类整体综合能力的体现,手机文化体现了技术的融合和文化的融合,人们之间的交往关系从此没有了地域的限制.
比较而言,技术具有明显的工具和设备的特性,而文化则是一个较为笼统和抽象的概念.
我认为,文化就是向理性、知性的转化,是一种走向文明的过程.
不同时代有其固有的技术特征与文化象征.
人类通过技术的发展,将人类的生产力、创造力和认识力逐步推向一个又一个高潮,相伴随的是不同时代技术特征下的文化内涵.
人类在从自然科学的研究过程走向工业化的实现过程,又从工业化过程走向信息化的过程中,以及从信息化过程走向智能化的过程中,每一次都体现了不同技术的发展,并伴随着相应的文化孕育.
从理论走向应用这个过程,人类是为了更好地认识自然和发展自我,因此,现代的科技是走向应用和探索的科技.
每个时代都有其技术的自身特征,成为这个时代技术的标志和文化的象征.
原始性创新概念在认识上存在的一个误区是平地而起,似乎可以无中生有,实际上,原始性创新依然是一种继承性创新.
这种创新,与科技面向大众,让更多人广泛参与紧密相关,民众不仅是参与者还是实践者,这样才能形成自发向上的对文化和科学的追求.
鲍海飞中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员.
主要研究方向为微纳机电系统.
baohf@mail.
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