电子科学技术水准是现代化的重要标志。一九五六年,在毛主席、周总理的亲切关怀下,把电子学、半导体、计算技术等定为十二年科学技术发展规划的重点项目,为以后电子科学技术、电子工业生产的高速度发展,日益缩短同世界先进水平的差距开辟了道路。但是,过去在一个时期内,由于受到“四人帮”的破坏,差距又被拉大了。现在我们必须加快步伐,为实现伟大新时期的总任务,为推进我国现代技术革命,努力发展电子技术,赶超世界先进水平。那么,就我国电子技术的发展而言,我们的主攻方向是什么呢?我想就这个问题,谈谈个人的几点看法。
一、向当前电子科学技术现代化的最重大标志——电子计算机和半导体进军
当前,电子计算机在科学研究、国防建设、工农业生产以及社会生活等各方面,都获得了广泛的应用。电子计算机和构成它的半导体大规模集成电路,在科学技术水平、生产规模和应用程度上,已成为衡量一个国家电子技术现代化水准的最重大标志。因此发展电子技术,必须首先向这两方面大进军。为了迅速赶超世界先进水平,必须分析我们的具体情况,找出主要问题,这样才能有计划地发展,减少盲目性。就计算机而言,目前,我们的主机水平固然不高,但更主要的问题是外部设备不配套,软件跟不上去,因而主机不能充分发挥作用。主机大部分时间是在空转,效率很低,有的根本用不上,造成了积压浪费。鉴于现在不少人对这个问题还缺乏必要的认识,所以我准备着重谈谈外部设备和软件,此外也谈谈主机和网络。
计算机的外部设备很多,最通用的是终端设备。它有一个键盘,可以把人们的要求用文字或程序送入并编成一定的电码,再送到计算机去。一般还要配一个显示器,象电视屏幕一样,把送进去的文字、程序显示出来。如果不正确,还可利用键盘改正,最后送进主机。送进主机后先要暂存起来,因此有的终端还配有软磁盘。计算机完成任务以后,往往又要把答案用显示器显示出来。如果需要留一个长久记录,终端则要配备打印机。有的终端还能用“光笔”修改线图。光笔的形状就象一支笔,里边配有光电器件,把它指在显示器的图形上,就可以增加或消除一些线条符号。还有一种读图机,可以自动把线图编成文字和数字,送到终端或主机去。也可以配备一种自动绘图机,根据输出的文字和数字,自动画成线图。图象显示和绘图机还可以把立体图画成斜视图,斜视角和比例都能任意改变,也能改变座标形式,以适应各种不同的要求。由此可见,终端所需做的工作是很复杂的。为了充分发挥主机的高速运算能力,一台主机需要配上许多终端,各终端的使用者可以同时操作,主机则轮流和终端打交道。输出数据量大时,还要用到各种印字机,有的是打印,有的是用静电印字,每秒钟可印几十、几百甚至上千行。除此以外,还有能自动识别文字或语音的输入机,以及研究把文字翻译成声音输出的设备等等。
当计算机用于自动控制时,必须把许多测量点、控制点用一些接口和主机联起来,这就要有各式各样的传感器、数据发送器、驱动器和控制器等。如果把计算机用在生物科学、医疗、化学过程等方面时,也要相应配备各种传感器、显示器。
外存储器也是主要的外部设备。当代的新式计算机往往要储存巨大数量的数据和文字,因此都配有磁盘机和磁带机。主机内部的主存或用大规模集成电路,或用磁心,速度都很高,但是容量太小,必须和具有大容量的外存储器配合起来,才能发挥主机的作用。
外部设备的品种、规格很多,这里只讲了一部分。但由此也可看到,没有大量的外部设备配套,计算机是不能工作的,也是不可能推广的。因此外部设备必须列为我们当前发展的重点之一。
软件是计算机的另一个重要环节,我们刚开始起步。最初要用计算机解决一个问题,就要编一个“应用程序”,计算机按照它来工作,这也叫“应用软件”。后来发现同一个问题,如果挪到另一个机种上,就要重编程序,这是极不方便的。因此就想办法给机器配上了一种“语言”,用一种编译程序把它和主机联系起来。这样,凡是用一种共用“语言”编的应用程序,在不同的机种上都能使用。应用程序是软件中工作量最大的,各行各业的用户,只要掌握了一定的通用“语言”,就可以按照自己的需要编制应用软件了。再以后又想到,可以把主机常用的内部程序事先编好。如在各用户和在外部设备之间按一定规则轮流工作的程序,诊断主机和外部设备故障用的程序,把应用程序存储到规定位置(地址)或把已存储的程序取出进行处理的程序等,甚至可以把许多常用的计算程序也都事先编好存放在主机内备用。这样主机就能发挥更大的作用。这些叫做“操作程序”。语言程序和操作程序都是配到机器里面的,总称为“系统软件”。从这里又可看到,没有软件,主机也很难发挥作用。因此,软件必须列为我们当前发展计算机的又一个重点。但是软件只有送进机内并存储起来才能起作用。如果没有各种外部设备,软件是存不进、留不住、送不出的,这就更看出外部设备是如何重要了。应用软件和系统软件随着计算机的推广而不断增加,并不断提高质量,以求解决更多的问题,效率提得更高。这些都是当前研制的热门,并且为了使软件和硬件(指主机及外部设备)更好地结合,人们正在研究更好的计算机系统构造,或称计算机“建筑学”。
主机方面我们也必须大踏步前进。当前世界上巨型机的特点是有巨大的运算能力,不求高度的通用性,现在有每秒八千万次的。有一种多机平行操作的,每秒可达几亿次,还正在研究百亿次的。最常用的是通用计算机,往往不要求特高速度,但要有高度的适应性,因此仍需要有很大的存储容量,所谓系列机,如我国的DJS200系列都是既能用于科学计算,也能适应大量的数据处理,还可用于工业自动控制。近年出现的一种小型多功能机,速度虽不高,但功能较完备,结构简单,使用方便。我国的DJS100系列就属于这一种。微型单片处理器(没有存储的)和微型单片计算机(带少量存储甚至有外部设备接口)是半导体大规模集成电路的最新成就,即将问世的一种据说可比得上中高档小型多功能机(每秒约25万次,字长16位)。其中简单的类型很便宜,不但能广泛用于生产过程自动化和武器控制方面,还能扩展到人们的日常生活中去。如放到电梯里,能自动控制电梯的升降;放到收音机里,可自动控制换台;放到汽车里,能自动控制油量大小,还能防止撞车事故;将来家庭电冰箱、电灶等也可以用它自动操作。许多单片处理机,还可以组成巨型机,只要片数足够多,就能达到巨大的运算能力。单片微型机的出现,可说是计算机的广泛技术革命的新起点。
最后谈谈计算机网络。所谓计算机网络,就是把分散在各处的计算机联系起来,协同工作。最简单的计算机网可用一台主机带若干个辅机或终端,在一个中小企业里,处理日常经济物资管理,也可做些技术运算,这在工业发达的国家已很普遍,效果很好,我们也必须很快地搞起来。再大的网络就是许多台主机联在一起。最简单的联法是分支式的,即一个主站联几个分站,每个分站再联几个二级分站或终端。还有环状和网状等联法。成网的作用首先是可以共享数据资料,一个站积累的数据,别站也可利用。主机也可以从分站收集数据,集中处理。第二个可能的重要作用是互相调用存储能力,这比较难。更高级的是互相调用剩余计算能力。我们可以想象,只要有可靠的、干扰小的通信信道联系,在城市间、省间甚至跨过国界,把计算机组成网络,那是多么诱人的前景啊!
从以上分析可知,发展我国计算机事业,必须全面分析情况,明确技术方向,进行统筹安排。
计算机的稳定性、可靠性也是非常重要的指标,它决定着计算机到底能否付诸实用。但是计算机的稳定性可靠性主要决定于元器件(主机的性能也决定于它)。现在电子计算机主要是由中小规模和大规模集成电路构成的,因此必须投入很大的力量开展集成电路特别是大规模集成电路的研究工作。限于篇幅,这里不再多述。
二、大力开展电子技术新兴领域的研究
当前电子技术的新兴领域包括空间电子技术、光电子技术、固体电子技术(磁泡、超导隧道效应、表面声波等)、自由电子激发技术等等。电子技术在这些新领域的发展,将会给它本身带来一场深刻的变革,将会为现代社会做出更大的贡献,将会更多地造福于人类。因此必须大力开展这些方面的研究工作,迅速赶超世界先进水平。下面以光电子技术为例,简单地谈谈新技术领域的发展情况。
近年发展的光纤信息传输,有许多非常突出的优点。光纤即光导纤维,它是象头发那样细的石英或玻璃丝,其作用和铜线铜缆相仿,所不同的是铜线铜缆传播的是电信号,光纤传播的是光信号。和铜线铜缆相比,它能抗干扰、防侦察,不需要贵重的铜材料,而且又轻又小。它的巨大的传输容量,也是铜缆所无法比拟的。据初步估计,一对光纤有可能传送百万路模拟电话或上千套彩色电视,比现有的一千八百路中同轴电缆载波通信的容量大近千倍。如果把几十至几百根光纤汇制成光缆,其通信容量就更为惊人了。随着社会的不断发展,信息传输的总的方向是要建成一个能传输声音信息、数字信息和图象信息的综合通信网,从目前发展情况看,光缆通信则是非常理想的一种通信手段。因此一些技术先进的国家都投入了巨大的力量进行研制。当前,象闭路电视、军用电视、有线广播电视、军用短距离电话电报的传输等,在国外已开始使用光缆。我们必须急起直追,迎头赶上。当然,对我们来说,还要做很多研究工作,其中不仅要研究光纤光缆,还要研究它的连接耦合问题;不但要研究光纤本身,还要研究配套的半导体激光器、发光二极管、光电二极管、雪崩二极管等等,要研究对光纤特性最合适的波长(属于近红外线的范围);不但要研究形成光通信信道的各个构成部分,还要研究光纤传输耦合的理论和光纤测量的各项技术。
红外和远红外是光电子技术的又一个发展领域。有些国家已发展得比较完备,并广泛用于国民经济和军事等方面。我们在这方面的研究工作也取得了一定成果,但还需要进一步加强。 各种物体都能辐射红外线,温度越高、辐射的波长越短,反之,温度越低,辐射的波长越长。一定波长的红外线,如2~2.5微米,3~5微米,8~14微米,都能很容易透过大气。因此,只要能造出适当的检测系统和检测器件,不用光照,就能检测出物体的形态,并且能测定它的温度,从而把各种物体区分出来。最熟知的用途是遥感技术,就是把这样的红外线探测器装在人造地球卫星或飞机上,用来扫描大地,就可以看出地壳的构成,从而勘探矿藏资源,还可以看出植被面积、农作物的收成情况、河口水流流向、水流污染以及寻找森林火源等等。我们还能制成红外摄象器,实现红外电视,可以在夜间没有光亮的情况下看到几公里甚至更远的目标。还有一种微光技术,如激光电视。它利用夜间微弱的光亮(指可见光,与红外线不同),即使是阴天,也能看到几公里远的目标。红外和微光技术也都是军事侦察的重要手段。关于激光,当然是光电子技术的一个很重要的内容,但因为这方面已发表了不少文章,这里就不多说了。
三、加强应用基础科学的研究探索电子技术发展的新方向
引用基本科学的研究成果,以科学实验和理论分析的方法,研究并解决技术实践中的重大问题,这就是应用基础科学,或称技术科学。几十年来电子技术所以有这样蓬勃的发展,在很大程度上是和电子应用基础科学的重大进展分不开的。例如,从麦克斯韦方程组出发,结合许多实际问题进行推导、实验,形成了微波技术,为雷达开辟了道路,也推进了通信技术的长足发展。又如当电子管在缩小体积、降低功耗、增长寿命方面接近达到实践的极限时,一些科学家运用半导体物理的研究,发明和发展了晶体管,促使电子技术发生了革命性的变化。我们还可以举出许多例子说明这个问题,也可以分析若干国家的历史经验,凡是生产发达的国家,其技术科学也一定发展得好,而有的国家基本科学不错,生产规模也不小,但生产技术水平不高,经济发展落后,在很大程度上就是因为没有注意发展应用基础科学。我们要在短短的时间里赶上和超过世界先进水平,不可不引为前车之鉴。
就电子基础元件和原材料而言,应用物理和应用化学的研究,对于各种元器件的发明、发展起了很大的作用。就电子整机和系统而言,主要的应用基础科学有电波传播、信息科学、系统工程理论、电磁动力学(包括微波技术)和网络回路技术等等。
需要着重指出,几十年来,信息科学的研究对于电子技术的发展有着巨大的指导和推动作用。例如,在通信和广播方面,各种调制方式的抗干扰能力已研究得比较清楚,并导致了各种脉冲编码调制的发展;从声音图象信息的特征研究了压缩频带、压缩信息的方法,使得有限的信道可以得到充分的利用;各种检错纠错的编码方法,应用到通信和计算机技术,使得信号的正确度大大增加;在雷达方面,从早期粗略的观测理论,发展到了后来的严密的统计判决理论、估值理论、滤波理论,还发展了编码和信号设计理论等,另一方面对于各种干扰的性质,包括地物、海波、以及人为干扰的研究,和目标反射特性的研究结合起来,大大改进了雷达的检测能力;应用光信息处理和电子信息处理可以使被大量杂物所湮没的图象重新显示出来,或使对比度很薄弱的图象变得相当清楚;通过生物信息的研究,发现了一些信息处理的有效方法,用电子信息技术加以仿效,可以把质量不高的图象变成远为清楚的图象;从处理投影信息的研究,导致对于物体不经破坏就能分层测绘截面的技术,即所谓层面造影法,也可用于超声波和X射线诊断。以上这些成果还在不断地改进提高,并且发展十分迅速。可以想象,随着人们对于广阔的自然信息和生物信息的深入研究,电子技术的发展将会达到一个新高潮,甚至有可能衍生新的电子工艺技术、分子工艺技术、仿生工艺技术等等。综上所述,足见应用基础科学的研究,对于电子技术的发展是何等重要了。
对于应用基础科学,我们要掌握当代最高水平的成果,这一方面是为了以世界先进水平为起点,继续提高,创造新水平,解决新问题;另一方面,要拿来解决我们当前已遇到的问题,帮助我们在科学实验和生产实践中减少盲目性,迅速赶超世界先进水平。
当前电子科学技术还有许多重要方面,必须投入很大的力量加以研究。例如元器件要增加新品种、提高可靠性、增长寿命,整机要在更大程度上提高半导体化和数字化的水平,要研究电子科研和生产中特有的各种工艺材料结构问题,研究计算机辅助设计、辅助管理和自动控制,研究电子测量技术、增加品种、提高精度和稳定度等等。限于篇幅,这里不再一一叙述。(中国电子学会常务理事、副秘书长 罗沛霖)