時間：2022-11-16 13:03:49
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇微電子學論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
一、《微電子學與計算機》是介紹微電子學與計算機理論探索，展示微電子學與計算機方面學術(shù)和工程應(yīng)用成果的專業(yè)刊物，計算技術(shù)、微電子技術(shù)中文核心期刊，中國科學技術(shù)引文數(shù)據(jù)庫來源期刊，為促進學術(shù)交流和科研成果的轉(zhuǎn)化，引導和推動我國微電子學與計算機技術(shù)方面的發(fā)展，歡迎從事計算機與微電子學理論研究、教學和應(yīng)用的廣大科技人員及愛好者踴躍投稿。
二、投稿要求如下：1．來稿內(nèi)容應(yīng)有較高學術(shù)水平，有創(chuàng)新之處，表達上做到主題突出、觀點明確、論據(jù)充分、結(jié)構(gòu)合理、層次清楚、語言通順、文字簡練。2．作者投稿需向編輯部提供一份聲明：稿件內(nèi)容屬于作者的科研成果，署名無爭議，且未公開發(fā)表過。3．來稿一般不超過8000字（含圖、表），內(nèi)容包括：中英文題目、中文作者姓名及漢語拼音的作者姓名、作者單位及英文譯名、作者簡介（性別、出生年份、學位、職稱及研究方向）、中英文摘要（250字左右）、關(guān)鍵詞（3～8個）、中圖分類號、正文、參考文獻。如為基金項目資助論文，請在文稿首頁注明，并列出批準文號。4．摘要應(yīng)說明論文的目的、方法、結(jié)果與結(jié)論。英文摘要的內(nèi)容需與中文一致。5．文中的量與單位應(yīng)符合國家標準和國際標準。外文字母必須分清大小寫、正斜體（包括黑正體、黑斜體及白正體、白斜體）；上下角的字母、數(shù)字和符號，其位置高低應(yīng)區(qū)分明顯。6．圖、表不超過6幅；圖、表須有名稱和編號，其內(nèi)容要與正文中的編號和說明一致；插圖和照片必須是清繪圖和原照片，繪制符合國家標準，最好控制在7．5cm×7．5cm內(nèi)；有坐標系的插圖，縱橫坐標上均要有適宜的刻度、對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并標注出其所代表的物理量和單位；表格盡量采用三線表的形式繪制。7．參考文獻只擇最主要的列入，一般不超過10條，未公開發(fā)表的資料請勿引用。文獻序號以文中出現(xiàn)的先后順序編排，文后須與正文中的一一對應(yīng)。文獻作者3名以內(nèi)應(yīng)全部列出，4名以上的只列出前3名，后加“等”字（或etal）；外文作者姓在前，名在后，名可用縮寫，但不加縮寫點。
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英文名稱：Acta Electronica Sinica
主管單位：中國科協(xié)
主辦單位：中國電子學會
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：0732-2112
國內(nèi)刊號：11-2087/TN
郵發(fā)代號：2-891
發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時間：1962
期刊收錄：
CA 化學文摘(美)(2009)
SA 科學文摘(英)(2009)
SCI 科學引文索引(美)(2009)
CBST 科學技術(shù)文獻速報(日)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國科學引文數(shù)據(jù)庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽：
中科雙高期刊
第二屆全國優(yōu)秀科技期刊
第三屆(2005)國家期刊提名獎期刊
聯(lián)系方式
期刊簡介
《電子學報》（月刊）創(chuàng)刊于1962年，是中國電子學會主辦的高級學術(shù)刊物, 刊登電子與信息科學及相鄰領(lǐng)域的原始（original）科研成果。 本刊的辦刊宗旨是反映中國電子與信息科學領(lǐng)域內(nèi)的新理論、新思想、新技術(shù)，具有國內(nèi)外先進水平的最新研究成果和技術(shù)進展，為促進國內(nèi)外學術(shù)交流，促進中國電子與信息科學技術(shù)的快速發(fā)展服務(wù)。
本刊的辦刊宗旨是反映中國電子與信息科學領(lǐng)域內(nèi)的新理論、新思想、新技術(shù)，具有國內(nèi)外先進水平的最新研究成果和技術(shù)進展，為促進國內(nèi)外學術(shù)交流，促進中國電子與信息科學技術(shù)的快速發(fā)展服務(wù)。
本刊設(shè)有：學術(shù)論文，科研通信，綜述評論等欄目。凡以電子與信息科學為主體（交叉學科論文必須側(cè)重電子與信息領(lǐng)域），在理論與應(yīng)用實踐上具有創(chuàng)新的，代表我國研究水平的學術(shù)論文，有科學依據(jù)和可靠數(shù)據(jù)的技術(shù)報告，階段性成果報告，以及屬于前沿學科，并對學科發(fā)展有指導意義的展望評論性文稿，均可向本刊投稿。
由于本刊覆蓋的學科專業(yè)較廣，出版時有意識地將相關(guān)學科和專業(yè)集中：第1、4、7、10期主要是通信與信號處理；第2、5、8、11期主要是微電子學、計算機科學及相鄰學科；第3、6、9、 12期主要是電子物理、真空電子學、微波與電磁場及相鄰學科。
關(guān)鍵詞:專用集成電路設(shè)計;創(chuàng)新;教學;探討
中圖分類號:G424文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)04-0920-02
Discussing about How to Teach the "Design of Application-Specific Integrated Circuit" Course
WU Yu-hua
(Beijing Electronic Science and Technology Institute, Beijing 100070, China)
Abstract: "Design of Application-Specific Integrated Circuit" is an important specialty course. In this paper, we will discuss the teaching technique about this course of non-micro-electronics specialty. Combining the teaching practice, several teaching experiences about "Design of Application-Specific Integrated Circuit" course are summarized.
Key words: design of application-specific integrated circuit; innovate; teaching; discuss
《專用集成電路設(shè)計》是電氣信息類專業(yè)開設(shè)的一門比較重要的專業(yè)課。為了培養(yǎng)寬口徑、基礎(chǔ)扎實的集成電路設(shè)計人才,滿足IC行業(yè)對人才的大量需求,無論是在微電子專業(yè),還是在相關(guān)的其他電氣信息類專業(yè),不少重點高等院校都已經(jīng)開設(shè)了本門課程。在學生已經(jīng)掌握了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和一定的晶體管原理知識的基礎(chǔ)上,通過學習《專用集成電路設(shè)計》課,進行ASIC設(shè)計理論的學習和實踐的強化,進一步掌握集成電路和電路系統(tǒng)的設(shè)計知識,提高集成電路設(shè)計能力,增長集成電路設(shè)計經(jīng)驗;通過理論教學和實踐教學,來加強電氣信息類專業(yè)學生的電路設(shè)計基礎(chǔ)、版圖設(shè)計基礎(chǔ)以及集成電路設(shè)計各環(huán)節(jié)的驗證知識等,培養(yǎng)學生在集成電路設(shè)計方面的研究興趣,為后續(xù)課程的學習和進一步的深造打好基礎(chǔ)。
由于專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)的需要,北京電子科技學院同樣開設(shè)了《專用集成電路設(shè)計》的專業(yè)選修課,授課對象是電子信息工程專業(yè)的本科生,由于非微電子的專業(yè)背景原因,他們并不具備足夠的半導體物理、晶體管原理等知識,因此在本課程的教學過程中,必然要針對具體對象,調(diào)整教學內(nèi)容,創(chuàng)新教學思路,加強教學研究,找到一種適合于非微電子專業(yè)本科生的教學思想和教學方法。通過教學實踐,學生對于課程組在這一課程中的創(chuàng)新、探索和具體的教學方法比較認可。這里把我們在《專用集成電路設(shè)計》課教學實踐中的初步探索做一些總結(jié),希望與大家分享。
1 結(jié)合實際合理設(shè)置授課內(nèi)容,以學生能夠接受為目標
電子信息工程專業(yè)的學生在學習《專用集成電路設(shè)計》課程之前,已經(jīng)系統(tǒng)地學習了《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《EDA技術(shù)》等有關(guān)電子技術(shù)和電路系統(tǒng)的課程,對于電路系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)有了一定的理解,并進行過比較系統(tǒng)的動手實踐訓練,為進一步學習《專用集成電路設(shè)計》課程打下了比較堅實的知識基礎(chǔ)和實踐基礎(chǔ)。但是由于專業(yè)背景的原因,該專業(yè)不太可能只是為了《專用集成電路設(shè)計》課而專門開設(shè)《半導體物理》、《晶體管原理》等這些在微電子專業(yè)才有的課程,因此,與微電子專業(yè)相比,電子信息工程專業(yè)的本科生欠缺有關(guān)晶體管原理和半導體工藝等方面的必要知識。在設(shè)置授課內(nèi)容時,必然要考慮到這一點,總的原則應(yīng)當是以學生能夠接受、但又不應(yīng)該過于輕松接受為目標,而且要盡量避免與《EDA技術(shù)》等課程的知識重復。
根據(jù)我們的課程內(nèi)容設(shè)置原則,將《專用集成電路設(shè)計》課的講授內(nèi)容分為以下幾章:第一章:ASIC設(shè)計概述;第二章:CMOS邏輯;第三章:ASIC庫設(shè)計;第四章:ASIC的前端設(shè)計;第五章:ASIC的后端設(shè)計;第六章:可測性設(shè)計技術(shù);第七章:SOC設(shè)計技術(shù)簡介。在各章的講授中,占用課時較多的分別是第二章、第三章和第五章。在講授時強調(diào)培養(yǎng)學生的系統(tǒng)設(shè)計能力,使學生對專用集成電路的設(shè)計、制造、測試等一整套流程有一般性、整體性的了解,建立專用集成電路的基本概念和方法,了解IC領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢,激發(fā)學生潛在的對集成電路前、后端設(shè)計的興趣。為了配合理論教學,提升教學效果,還設(shè)置了合適的實驗教學內(nèi)容。
2 注重實驗教學效果,以培養(yǎng)動手實踐能力為目標
集成電路設(shè)計類課程除了理論教學以外,實驗教學尤為重要,因為這類課程對學生的訓練重點正是在于動手實驗,提前接觸到未來在進一步的研究和工作中可能會應(yīng)用到的一些軟件工具、設(shè)計流程以及設(shè)計技巧等,這樣才能促進學生理論與實踐相結(jié)合,真正幫助學生掌握ASIC設(shè)計技術(shù)。因此本課程要更加注重實驗教學效果,著力培養(yǎng)學生的動手實踐能力,進而使學生能夠更加準確、具體和形象地掌握在課堂上學到的理論知識。根據(jù)這一原則,經(jīng)過試用修訂,我們專門編印了《專用集成電路設(shè)計實驗指導書》,根據(jù)大綱的變化,使用工具版本的提高,目前已經(jīng)編印了2007版和2009版的實驗指導書,共設(shè)計了五個實驗,具體是:實驗一:IC設(shè)計工具的使用;實驗二:單元電路的前端設(shè)計;實驗三:標準單元的版圖繪制與驗證;實驗四:四位加法器和減法器ASIC的設(shè)計;實驗五:計數(shù)器ASIC的設(shè)計。每個實驗3學時,其中實驗二、實驗四和實驗五為綜合性、設(shè)計性實驗。
選用一種合適的集成電路設(shè)計工具是順利進行實踐教學的關(guān)鍵。我們選用了美國Tanner Research公司開發(fā)的一種優(yōu)秀集成電路設(shè)計工具――Tanner Tools Pro,它雖然在功能上不如Cadence、Synopsys等大型工具強大,但它的最大優(yōu)點是成本低,可以在PC機上使用,而且圖形處理速度快,編輯功能強,便于學習,使用方便,特別適用于高校進行相關(guān)的教學和科研工作。Tanner Pro工具在美國和臺灣的很多大學中早已被廣泛應(yīng)用,臺灣不少IC設(shè)計企業(yè)也在使用Tanner Pro工具。該工具較新版本為Tanner Tools Pro 13.0,主要包含了S-EDIT(原理圖編輯)、L-EDIT(版圖編輯)、T-SPICE(電路仿真)、W-EDIT(波形觀察)和LVS(版圖與原理圖比對)等幾個功能不同的子工具,滿足了集成電路設(shè)計從前端到后端、設(shè)計驗證的一系列過程的需要,完全可以適用于《專用集成電路設(shè)計》課程的實踐教學。通過我們在課程實驗、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學環(huán)節(jié)的使用,發(fā)現(xiàn)學生對這個工具上手快、掌握熟,對于以后使用其他的IC設(shè)計工具也有一定的幫助,而且培養(yǎng)了他們將來涉足IC設(shè)計領(lǐng)域的興趣和信心。圖1是學生在實踐教學中得到的一個版圖設(shè)計結(jié)果。
3 適當講授最新技術(shù)進展,以讓學生跟上行業(yè)發(fā)展腳步為目標
我們都知道,集成電路設(shè)計技術(shù)、制造工藝等的發(fā)展速度飛快,遵循著集成電路最小特征尺寸以每三年減小70%的速度下降、集成度每年翻一番和價格每兩年下降一半的著名的摩爾定律,集成電路的設(shè)計和制造技術(shù)發(fā)展日新月異。因此,在《專用集成電路設(shè)計》的教學過程中,必須要根據(jù)教學大綱的要求,在系統(tǒng)講授已經(jīng)設(shè)置好的教學內(nèi)容的前提下,結(jié)合具體授課內(nèi)容,適當講授最新技術(shù)進展,以期讓學生跟上集成電路設(shè)計行業(yè)發(fā)展的腳步,并不斷將這些新技術(shù)、新進展、新方法、新工具、新工藝融入到授課內(nèi)容中,做到授課內(nèi)容常講常新。其實這除了讓學生可以接受到最新的知識和了解到該領(lǐng)域最新進展之外,同時也是一個教學相長的過程,對于教師的教學和相關(guān)科研也是一種無形的促進,可以督促教師不斷地跟蹤與IC設(shè)計、制造相關(guān)的最新研究成果,并進行精心的組織,將這些成果有機融入到課程教學中,做到授課內(nèi)容的不斷更新,而且這樣也才能夠避免一份講稿多年重復使用,保證教師在教學中的激情,增強教學效果。
在這里僅僅舉一個具體例子。在一次講授到集成電路工藝的內(nèi)容時,作者為同學們講授了不斷發(fā)展的集成電路工藝水平,以及所遇到的工藝發(fā)展瓶頸對于摩爾定律的挑戰(zhàn),還具體講到了Intel公司新推出的0.45nm工藝的CPU,它采用了大大不同于以往的工藝方法,這次工藝變革可以稱得上是“拯救摩爾定律”的一大技術(shù)進展。本次課后,不少同學紛紛通過互聯(lián)網(wǎng)等來查閱這一最新工藝的具體情形,表現(xiàn)出了濃厚的學習興趣。
4 創(chuàng)新課程考查方式,以激發(fā)學生進一步的研究興趣為目標
一門課程的考查方式如何,對于這門課程能不能按照教師的預想,達到既定的最終教學目的,有著比較重要的作用。傳統(tǒng)的一張試卷去“考”出學生學習效果的方式雖然比較簡單省事,但卻過于單調(diào),雖然從某種程度上能夠考查出學生對這門課程知識的掌握程度,但是對于激發(fā)學生在學完這門課程之后,對本學科、本領(lǐng)域進行進一步研究的興趣卻作用不大。由于自從接受學校教育以來經(jīng)歷了無數(shù)次的考試,不少學生厭煩考試的情緒比較嚴重,恨不得考完后把教材、作業(yè)、筆記等都馬上丟棄,這是現(xiàn)實存在的、我們必須得承認的事實。從某種意義上說,通過考試來考查學生的學習,有時對最終教學目標的實現(xiàn)會起到一定的反作用。而且單純考試的方式也很難發(fā)現(xiàn)學生對于這門課、這個領(lǐng)域、這個行業(yè)的獨特想法和創(chuàng)新思路。
作者在《專用集成電路設(shè)計》教學過程中,結(jié)合課程的專業(yè)特點,積極探索并實踐了采用提交論文和現(xiàn)場答辯相結(jié)合的課程考查方式,即在課程講授到二分之一左右時,布置給學生論文題目,對于論文的范圍、參考文獻的篇數(shù)、論文的格式和字數(shù)等做出明確而具體的規(guī)范,要求學生在最后一次課之前提交自己的論文,做好答辯ppt,并利用專門的時間集中進行答辯,每位學生對自己準備的論文,進行5分鐘左右的講解,并接受教師和其他學生的提問。通過創(chuàng)新課程考查方式,提交論文和現(xiàn)場答辯相結(jié)合,讓學生在準備論文和答辯材料的過程中對專用集成電路設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容和工藝、方法等有了更加深刻的理解,并有了一個系統(tǒng)的知識梳理過程,現(xiàn)場答辯的方式也更能夠展現(xiàn)學生對于集成電路設(shè)計的一些獨特的思路和創(chuàng)新性的理解,學生在經(jīng)歷這一過程時,也促使自己積極思考,主動研究,努力去探索和集成電路、微電子學有關(guān)的一些研究方法和最新進展,激發(fā)自己在完成本門課程的學習后、甚至是大學畢業(yè)后進行進一步研究的興趣和信心;另外還在這個過程中提升了學生的論文寫作能力、科學研究能力。
5 結(jié)束語
《專用集成電路設(shè)計》課(或者其他名稱的類似課程)在不少設(shè)有微電子學專業(yè)的重點大學中開設(shè)較為普遍,但在沒有微電子學專業(yè)的高校特別是非重點高校中開設(shè)并不多,對于該課程教學實踐中的一些具體的方法研究和探討需要更加深入。作者在教學實踐中,緊密圍繞本校、本專業(yè)的培養(yǎng)目標,以授課對象為主體,遵循課程的教學規(guī)律和科學研究規(guī)律,選擇合適的授課內(nèi)容和教學方法,并且不斷地對此進行探索和研究,收到了初步的教學效果。當然,教學創(chuàng)新永無止境,教學方法的研究和探討不能止步,作為一名年輕教師,在今后的教學實踐中,作者將在加強學習以及與同行交流的前提下,進一步拓寬和創(chuàng)新教學思路,探索和完善教學模式,研究和更新教學內(nèi)容,學習和探討教學技巧,敢于創(chuàng)新,善于創(chuàng)新,真正做到教好書,育好人。
參考文獻:
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關(guān)鍵詞微電子技術(shù)集成系統(tǒng)微機電系統(tǒng)DNA芯片
1引言
綜觀人類社會發(fā)展的文明史，一切生產(chǎn)方式和生活方式的重大變革都是由于新的科學發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生而引發(fā)的，科學技術(shù)作為革命的力量，推動著人類社會向前發(fā)展。從50多年前晶體管的發(fā)明到目前微電子技術(shù)成為整個信息社會的基礎(chǔ)和核心的發(fā)展歷史充分證明了“科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。信息是客觀事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類社會的重要資源，但對它的利用卻僅僅是開始。當前面臨的信息革命以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化作為特征。數(shù)字化大大改善了人們對信息的利用，更好地滿足了人們對信息的需求；而網(wǎng)絡(luò)化則使人們更為方便地交換信息，使整個地球成為一個“地球村”。以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為特征的信息技術(shù)同一般技術(shù)不同，它具有極強的滲透性和基礎(chǔ)性，它可以滲透和改造各種產(chǎn)業(yè)和行業(yè)，改變著人類的生產(chǎn)和生活方式，改變著經(jīng)濟形態(tài)和社會、政治、文化等各個領(lǐng)域。而它的基礎(chǔ)之一就是微電子技術(shù)。可以毫不夸張地說，沒有微電子技術(shù)的進步，就不可能有今天信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微電子已經(jīng)成為整個信息社會發(fā)展的基石。
50多年來微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實際上就是不斷創(chuàng)新的過程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)明并不是一個孤立的精心設(shè)計的實驗，而是一系列固體物理、半導體物理、材料科學等取得重大突破后的必然結(jié)果。1947年發(fā)明點接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場效應(yīng)晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發(fā)存儲器等微電子領(lǐng)域的重大發(fā)明也都是一系列創(chuàng)新成果的體現(xiàn)。同時，每一項重大發(fā)明又都開拓出一個新的領(lǐng)域，帶來了新的巨大市場，對我們的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了重大的影響。也正是由于微電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術(shù)有關(guān)的學術(shù)論文數(shù)量已經(jīng)超過了與鋼鐵有關(guān)的學術(shù)論文，所以有人認為，1968年以后人類進入了繼石器、青銅器、鐵器時代之后硅石時代（siliconage）〖1〗。因此可以說社會發(fā)展的本質(zhì)是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新，社會就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經(jīng)濟發(fā)展的改革動力往往會給社會帶來“創(chuàng)造性的破壞”，但經(jīng)過這種破壞后，又將開始一個新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。
在微電子技術(shù)發(fā)展的前50年，創(chuàng)新起到了決定性的作用，而今后微電子技術(shù)的發(fā)展仍將依賴于一系列創(chuàng)新性成果的出現(xiàn)。我們認為：目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個很關(guān)鍵的時期，21世紀上半葉，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域主要有以下四個方面：以硅基CMOS電路為主流工藝；系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，SOC）為發(fā)展重點；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學；與其他學科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點，如MEMS，DNAChip等。
221世紀上半葉仍將以硅基CMOS電路為主流工藝
微電子技術(shù)發(fā)展的目標是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及性能價格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導體器件特征尺寸的動力源泉。以MOS技術(shù)為例，溝道長度縮小可以提高集成電路的速度；同時縮小溝道長度和寬度還可減小器件尺寸，提高集成度，從而在芯片上集成更多數(shù)目的晶體管，將結(jié)構(gòu)更加復雜、性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統(tǒng)的速度和可靠性也大大提高，價格大幅度下降。由于片內(nèi)信號的延遲總小于芯片間的信號延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒有提高，整個集成系統(tǒng)的性能也可以得到很大的提高。
自1958年集成電路發(fā)明以來，為了提高電子系統(tǒng)的性能，降低成本，微電子器件的特征尺寸不斷縮小，加工精度不斷提高，同時硅片的面積不斷增大。集成電路芯片的發(fā)展基本上遵循了Intel公司創(chuàng)始人之一的GordonE．Moore1965年預言的摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸縮小倍。在這期間，雖然有很多人預測這種發(fā)展趨勢將減緩，但是微電子產(chǎn)業(yè)三十多年來發(fā)展的狀況證實了Moore的預言[2]。而且根據(jù)我們的預測，微電子技術(shù)的這種發(fā)展趨勢還將在21世紀繼續(xù)一段時期，這是其它任何產(chǎn)業(yè)都無法與之比擬的。
現(xiàn)在，0．18微米CMOS工藝技術(shù)已成為微電子產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)，0．035微米乃至0．020微米的器件已在實驗室中制備成功，研究工作已進入亞0．1微米技術(shù)階段，相應(yīng)的柵氧化層厚度只有2．0～1．0nm。預計到2010年，特征尺寸為0．05～0．07微米的64GDRAM產(chǎn)品將投入批量生產(chǎn)。
21世紀，起碼是21世紀上半葉,微電子生產(chǎn)技術(shù)仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)為主流。盡管微電子學在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據(jù)科學技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，一種新技術(shù)從誕生到成為主流技術(shù)一般需要20到30年的時間，硅集成電路技術(shù)自1947年發(fā)明晶體管1958年發(fā)明集成電路,到60年代末發(fā)展成為大產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了20多年的時間。另外，全世界數(shù)以萬億美元計的設(shè)備和技術(shù)投入，已使硅基工藝形成非常強大的產(chǎn)業(yè)能力；同時，長期的科研投入已使人們對硅及其衍生物各種屬性的了解達到十分深入、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識積累。產(chǎn)業(yè)能力和知識積累決定了硅基工藝起碼將在50年內(nèi)仍起重要作用，人們不會輕易放棄。
目前很多人認為當微電子技術(shù)的特征尺寸在2015年達到0．030～0．015微米的“極限”之后，將是硅技術(shù)時代的結(jié)束，這實際上是一種誤解。且不說微電子技術(shù)除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術(shù)之外，還有設(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面需要進一步的大力發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展必將使微電子產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速增長。即使是加工工藝技術(shù)，很多著名的微電子學家也預測，微電子產(chǎn)業(yè)將于2030年左右步入像汽車工業(yè)、航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽工業(yè)領(lǐng)域。即使微電子產(chǎn)業(yè)步入汽車、航空等成熟工業(yè)領(lǐng)域，它仍將保持快速發(fā)展趨勢，就像汽車、航空工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了50多年仍極具發(fā)展?jié)摿σ粯印?/p>
隨著器件的特征尺寸越來越小，不可避免地會遇到器件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵工藝、集成技術(shù)以及材料等方面的一系列問題，究其原因，主要是：對其中的物理規(guī)律等科學問題的認識還停留在集成電路誕生和發(fā)展初期所形成的經(jīng)典或半經(jīng)典理論基礎(chǔ)上，這些理論適合于描述微米量級的微電子器件，但對空間尺度為納米量級、空間尺度為飛秒量級的系統(tǒng)芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，SiO2柵介質(zhì)材料、多晶硅／硅化物柵電極等傳統(tǒng)材料由于受到材料特性的制約，已無法滿足亞50納米器件及電路的需求；同時傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)也已無法滿足亞50納米器件的要求，必須發(fā)展新型的器件結(jié)構(gòu)和微細加工、互連、集成等關(guān)鍵工藝技術(shù)。具體的需要創(chuàng)新和重點發(fā)展的領(lǐng)域包括：基于介觀和量子物理基礎(chǔ)的半導體器件的輸運理論、器件模型、模擬和仿真軟件，新型器件結(jié)構(gòu)，高k柵介質(zhì)材料和新型柵結(jié)構(gòu)，電子束步進光刻、13nmEUV光刻、超細線條刻蝕，SOI、GeSi／Si等與硅基工藝兼容的新型電路，低K介質(zhì)和Cu互連以及量子器件和納米電子器件的制備和集成技術(shù)等。
3量子電子器件（QED）和以分子原子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學將帶來嶄新的領(lǐng)域
在上節(jié)我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)，可稱之為“scalingdown”，與此同時我們必須注意“bottomup”。“bottomup”最重要的領(lǐng)域有二個方面：
(1)量子電子器件（QED—QuantumElectronDevice）這里包括單電子器件和單電子存儲器等。它的基本原理是基于庫侖阻塞機理控制一個或幾個電子運動，由于系統(tǒng)能量的改變和庫侖作用，一個電子進入到一個勢阱，則將阻止其它電子的進入。在單電子存儲器中量子阱替代了通常存儲器中的浮柵。它的主要優(yōu)點是集成度高；由于只有一個或幾個電子活動所以功耗極低；由于相對小的電容和電阻以及短的隧道穿透時間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時要求電容極小（αF），要求量子點大小在幾個納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。
因此，目前可以認為它們的理論是清楚的，工藝有待于探索和突破。
(2)以原子分子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學。這里包括量子點陣列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳納米管為基礎(chǔ)的原子分子器件等。
量子點陣列由量子點組成，至少由四個量子點,它們之間以靜電力作用。根據(jù)電子占據(jù)量子點的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質(zhì)上是一種非晶體管和無線的方式達到陣列的高密度、低功耗和實現(xiàn)互連。其基本優(yōu)勢是開關(guān)速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對值置變化和大小改變都極為靈敏，0．05nm的變化可以造成單元工作失效。
以碳納米管為基礎(chǔ)的原子分子器件是近年來快速發(fā)展的一個有前景的領(lǐng)域。碳原子之間的鍵合力很強，可支持高密度電流，而熱導性能類似于金剛石，能在高集成度時大大減小熱耗散，性質(zhì)類金屬和半導體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而Ge、Si只有一個。這些都使碳納米管（CNT）成為當前科研熱點，從1991年發(fā)現(xiàn)以來，現(xiàn)在已有大量成果涌現(xiàn)，北京大學納米中心彭練矛教授也已制備出0．33納米的CNT并提出“T形結(jié)”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設(shè)計性能的CNT器件，更難以集成。
目前“bottomup”的量子器件和以自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米器件在制造工藝上往往與“Scalingdown”的加工方法相結(jié)合以制造器件。這對于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會帶來突破性的進展。
QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術(shù)上都有大量工作要做，有待突破，離開實際應(yīng)用還需較長時日！但這終究是一個誘人探索的領(lǐng)域，我們期待它們將創(chuàng)出一個新的天地。
4系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip）是21世紀微電子技術(shù)發(fā)展的重點
在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路設(shè)計都從器件的物理版圖設(shè)計入手，后來出現(xiàn)了集成電路單元庫（Cell－Lib），使得集成電路設(shè)計從器件級進入邏輯級，這樣的設(shè)計思路使大批電路和邏輯設(shè)計師可以直接參與集成電路設(shè)計，極大地推動了IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC芯片是通過印刷電路板（PCB）等技術(shù)實現(xiàn)整機系統(tǒng)的。盡管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之間的連線延時、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡(luò)化、移動化的發(fā)展，系統(tǒng)對電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設(shè)計技術(shù)已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。同時，由于IC設(shè)計與工藝技術(shù)水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高，已經(jīng)可以將整個系統(tǒng)集成為一個芯片。目前已經(jīng)可以在一個芯片上集成108－109個晶體管，而且隨著微電子制造技術(shù)的發(fā)展，21世紀的微電子技術(shù)將從目前的3G時代逐步發(fā)展到3T時代（即存儲容量由G位發(fā)展到T位、集成電路器件的速度由GHz發(fā)展到燈THz、數(shù)據(jù)傳輸速率由Gbps發(fā)展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)）。
正是在需求牽引和技術(shù)推動的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個系統(tǒng)集成在一個微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，簡稱SOC）概念。
系統(tǒng)芯片（SOC）與集成電路（IC）的設(shè)計思想是不同的，它是微電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命，它和集成電路的關(guān)系與當時集成電路與分立元器件的關(guān)系類似，它對微電子技術(shù)的推動作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術(shù)。
SOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來，在單個（或少數(shù)幾個）芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，它的設(shè)計必須是從系統(tǒng)行為級開始的自頂向下（Top－Down）的。很多研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設(shè)計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標。例如若采用SOC方法和0．35μm工藝設(shè)計系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0．18～0.25μm工藝制作的IC所實現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設(shè)計的芯片相比,采用SOC設(shè)計方法完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目約可以降低l～2個數(shù)量級。
對于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個關(guān)鍵的支持技術(shù)。
（1）軟、硬件的協(xié)同設(shè)計技術(shù)。面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory），這里不同的系統(tǒng)涉及諸多計算機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)等等。
（2）IP模塊庫問題。IP模塊有三種,即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計；和硬核，基于工藝的物理設(shè)計、與工藝相關(guān)，并經(jīng)過工藝驗證過的。其中以硬核使用價值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎(chǔ)，在速度與功耗上經(jīng)過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價值。現(xiàn)在,美國硅谷在80年代出現(xiàn)無生產(chǎn)線（Fabless)公司的基礎(chǔ)上，90年代后期又出現(xiàn)了一些無芯片（Chipless）的公司,專門銷售IP模塊。
（3）模塊界面間的綜合分析技術(shù),這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術(shù)（gluelogictechnologies）和IP模塊綜合分析及其實現(xiàn)技術(shù)等。
微電子技術(shù)從IC向SOC轉(zhuǎn)變不僅是一種概念上的突破,同時也是信息技術(shù)新發(fā)展的里程碑。通過以上三個支持技術(shù)的創(chuàng)新,它必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術(shù)上的革命。目前，SOC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角，21世紀將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時期。
在新一代系統(tǒng)芯片領(lǐng)域，需要重點突破的創(chuàng)新點主要包括實現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法和電路結(jié)構(gòu)兩個方面。在微電子技術(shù)的發(fā)展歷史上,每一種算法的提出都會引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對集成電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展起到了非常重要的作用,目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結(jié)構(gòu)可以帶動一系列的應(yīng)用,但提出一種新的算法則可以帶動一個新的領(lǐng)域,因此算法應(yīng)是今后系統(tǒng)芯片領(lǐng)域研究的重點學科之一。在電路結(jié)構(gòu)方面,在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲器件的加入，其中的電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的CMOS結(jié)構(gòu)，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結(jié)構(gòu)。另外，為了實現(xiàn)膠聯(lián)邏輯（GlueLogic）新的邏輯陣列技術(shù)有望得到快速的發(fā)展,在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。
5微電子與其他學科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點
微電子技術(shù)的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產(chǎn)出具有高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊。這種技術(shù)一旦與其它學科相結(jié)合,便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經(jīng)濟增長點，這方面的典型例子便是MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)和DNA生物芯片。前者是微電子技術(shù)與機械、光學等領(lǐng)域結(jié)合而誕生的，后者則是與生物工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。
微電子機械系統(tǒng)不僅是微電子技術(shù)的拓寬和延伸,它將微電子技術(shù)和精密機械加工技術(shù)相互融合，實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界聯(lián)系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號，把這些信號轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認識的電信號，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號，發(fā)出指令并完成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機械技術(shù)、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等〖3〗。
MEMS的發(fā)展開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點,因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應(yīng)用于制導、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護；信息MEMS系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等。現(xiàn)在已經(jīng)成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。
MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長速度非常之高，目前正處在技術(shù)發(fā)展時期，再過若干年將會迎來MEMS產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的時期。2000年，全世界MEMS的市場達到120到140億美元，而帶來的與之相關(guān)的市場達到1000億美元。
目前，MEMS系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應(yīng)用也非常有限，以軍事需求為主,但它的誘人前景吸引了人們進行大量投資，促進了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術(shù)的進步,加快了計算機更新?lián)Q代的速度，對CPU和RAM的需求越來越大,反過來又促進了集成電路的發(fā)展。集成電路和計算機在發(fā)展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命。現(xiàn)階段的微機電系統(tǒng)專用性很強，單個系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常有限,還沒有出現(xiàn)類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產(chǎn)品。隨著微機電系統(tǒng)的進步，最后將有可能形成像微電子技術(shù)一樣有廣泛應(yīng)用前景的新產(chǎn)業(yè)，從而對人們的社會生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生重大影響。
當前MEMS系統(tǒng)能否取得更更大突破，取決于兩方面的因素：第一是在微系統(tǒng)理論與基礎(chǔ)技術(shù)方面取得突破性進展，使人們依靠掌握的理論和基礎(chǔ)技術(shù)可以高效地設(shè)計制造出所需的微系統(tǒng)；第二是找準應(yīng)用突破口，揚長避短，以特別適合微系統(tǒng)應(yīng)用的重大領(lǐng)域為目標進行研究,取得突破，從而帶動微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在MEMS發(fā)展中需要繼續(xù)解決的問題主要有：MEMS建模與設(shè)計方法學研究；三維微結(jié)構(gòu)構(gòu)造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力學和熱學研究；MEMS的表征與計量方法學；納結(jié)構(gòu)與集成技術(shù)等。
微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合誕生的以DNA芯片等為代表的生物芯片將是21世紀微電子領(lǐng)域的另一個熱點和新的經(jīng)濟增長點。它是以生物科學為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細胞等的特點和功能，設(shè)計構(gòu)建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進行加工生產(chǎn)，它是生命科學與技術(shù)科學相結(jié)合的產(chǎn)物。具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到廣泛關(guān)注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。
采用微電子加工技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用。
DNA芯片的基本思想是通過生物反應(yīng)或施加電場等措施使一些特殊的物質(zhì)能夠反映出某種基因的特性從而起到檢測基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人員已經(jīng)利用微電子技術(shù)在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他們制作的DNA芯片是通過在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層DNA纖維。不同的DNA纖維圖案分別表示不同的DNA基因片段，該芯片共包括6000余種DNA基因片段。DNA（脫氧核糖核酸）是生物學中最重要的一種物質(zhì)，它包含有大量的生物遺傳信息，DNA芯片的作用非常巨大，其應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛：它不僅可以用于基因?qū)W研究、生物醫(yī)學等，而且隨著DNA芯片的發(fā)展還將形成微電子生物信息系統(tǒng)，這樣該技術(shù)將廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學和環(huán)境保護等人類生活的各個方面，那時，生物芯片有可能象今天的IC芯片一樣無處不在。
目前的生物芯片主要是指通過平面微細加工技術(shù)及超分子自組裝技術(shù)，在固體芯片表面構(gòu)建的微分析單元和系統(tǒng)，以實現(xiàn)對化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細胞以及其它生物組分的準確、快速、大信息量的篩選或檢測。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具體實現(xiàn)技術(shù)、基于生物芯片的生物信息學以及高密度生物芯片的設(shè)計、檢測方法學等等。
6結(jié)語
在微電子學發(fā)展歷程的前50年中，創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究曾起到非常關(guān)鍵的決定性作用。而隨著器件特征尺寸的縮小、納米電子學的出現(xiàn)、新一代SOC的發(fā)展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的課題，客觀需求正在“召喚”創(chuàng)新成果的誕生。
回顧20世紀后50年，展望21世紀前50年，即百年的微電子科學技術(shù)發(fā)展歷程，使我們深切地感受到，世紀之交的微電子技術(shù)對我們既是一個重大的機遇，也是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，如果我們能夠抓住這個機遇，立足創(chuàng)新，去勇敢地迎接這個挑戰(zhàn)，則有可能使我國微電子技術(shù)實現(xiàn)騰飛，在新一代微電子技術(shù)中擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)，促進我國微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為迎接21世紀中葉將要到來的偉大的民族復興奠定技術(shù)基礎(chǔ)，以重鑄中華民族的輝煌！
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】競賽；集成電路；教學改革
Inspiration of 2011’Beijing Student Competition on Integrated Circuit
GENG Shu-qin HOU Li-gang WANG Jin-hui PENG Xiao-hong
VLSI & System laboratory Beijing University of Technology Beijing，China 100124
Abstract：Teaching 21stIntegrated circuit student is history task for teachers.Inspiration of 2011’Beijing Student Competition on Integrated Circuit is presented such as correct idea，right organize procedure，a steady preparation，corporation between university and company，teaching methods.The result of practice is that competition on Integrated circuit can push the procedure of cultivating of student，can push Quality Education，can advance the ability of theory and practice，can improve the ability of resolve problem，can cultivate the spirit of creativity，can enhance the ability of Team Corporation.It leads the point of teaching methods reformation.The student ability of plot and circuit design is increased.
Keywords：competition；Integrated circuit；teaching reformation
集成電路在社會發(fā)展中扮演著非同尋常的角色，幾乎滲透到了各行各業(yè)。隨著全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展，集成電路的制造與開發(fā)中心正逐步向我國轉(zhuǎn)移。我們肩負重大的歷史使命，是要把我國建設(shè)成為集成電路的生產(chǎn)大國進而成為集成電路強國[1]。因此培養(yǎng)二十一世紀集成電路設(shè)計人才是我們教師面臨的歷史任務(wù)。北京華大九天軟件有限公司致力于開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的EDA軟件，提供高端的SoC解決方案和一站式設(shè)計生產(chǎn)服務(wù)，為培養(yǎng)集成電路設(shè)計人才提供了很好的軟件平臺。北京市2011首屆“華大九天杯”大學生集成電路大賽以充分調(diào)動各方面的參與積極性。對學生來說，競賽為他們提供了一個開闊眼界、互相學習和交流的好機會，這是任何課堂教學都無法替代的；對指導老師來說，競賽可以促進他們轉(zhuǎn)變陳舊的教學理念，改進落后的課程體系，積極尋求新的教學模式，真正做到教學目標、教學內(nèi)容和教學方法與時俱進，切實達到面向應(yīng)用、面向市場、面向社會并最終為社會提供優(yōu)秀專業(yè)人才的最高教學目標[2]。實踐表明，開展大學生集成電路設(shè)計競賽，對于推進我國集成電路人才培養(yǎng)、推進素質(zhì)教育、理論實踐結(jié)合能力、解決問題的能力、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、團隊協(xié)作能力和培養(yǎng)學生的集體榮譽感等方面具有重要意義，同時也對高校的集成電路設(shè)計課程和實踐教學改革起了一定的引導作用，極大的強化了學生繪制版圖和電路設(shè)計能力。本人有幸?guī)ьI(lǐng)學生參加了此次比賽，獲得了一些啟示。
1.立足現(xiàn)實，拓寬應(yīng)用
本次大賽的活動宗旨是豐富微電子學專業(yè)學生的專業(yè)知識，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、獨立思考和操作能力，鞏固和加深所學專業(yè)知識基礎(chǔ)，推動京津地區(qū)高校微電子學專業(yè)的交流和發(fā)展，并對國產(chǎn)正版EDA軟件的普及和應(yīng)用起到積極推動作用。
2011年北京大學生集成電路設(shè)計大賽分成大學本科和研究生兩個級別（本科生組33個組；研究生33個組），每組3人，進行筆試和上機操作。比賽相關(guān)規(guī)則：筆試階段，采用閉卷形式，由各參賽隊員獨立完成，最終成績計入小組總分；上機操作，以小組形式參加。
2.正確的指導思想
電子學會組織的此次大學生集成電路大賽立足高，緊密結(jié)合教學實際，著重基礎(chǔ)、注重培養(yǎng)實踐能力的原則為大賽成功舉行樹立了正確的指導思想。
“華大九天杯”集成電路大賽凝聚了各級領(lǐng)導、專家、學者和我校學科部領(lǐng)導、老師及每個參賽隊員的心血與汗水。在比賽的前后，我們的指導思想是：參賽獲獎不是最終目的，深人持久地開展教育教學改革，充分調(diào)動學生學習積極性，吸引更多的學生參加各類競賽和科技活動，培養(yǎng)更多的優(yōu)秀專業(yè)人才，才是我們的努力方向。集成電路大賽引來了眾多企業(yè)，他們對參賽學生的青睞，對于與學校合作的重視，也正是我們學校所渴求的。在參賽中與同行各企業(yè)充分交流，學校與企業(yè)的緊密結(jié)合，才能更清楚市場對優(yōu)秀畢業(yè)生的要求，進而能明確培養(yǎng)目標，并在平時的課程教學中加以滲透，在教學中不斷改進；在參賽中與其他兄弟院校充分分享經(jīng)驗，不斷學習別人的長處，分析參賽中暴露的共性問題，在教育教學中不斷改進；在參賽中提高教師的指導水平和改進教育教學方法；在參賽中提高學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)大批適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)需要的基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強、素質(zhì)高、具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級應(yīng)用型人才，才是我們參加北京大學生集成電路設(shè)計競賽的最終目的。
3.準備認真，重在過程
承辦方北方工業(yè)大學周密的準備工作和熱情的服務(wù)為大賽成功舉行創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。北方工業(yè)大學和華大九天公司組織的集訓為成功參賽奠定了扎實的基礎(chǔ)。
在學科部領(lǐng)導和各位老師的努力下，在實驗室老師的大力協(xié)助下，在華大九天公司培訓人員的大力支持下，我們組織了兩個階段的集中培訓，并在培訓的基礎(chǔ)上進行了有針對性的輔導練習，并在參賽前舉行了預賽。這些環(huán)節(jié)對學生和老師起到了很好的引導和督促作用，保證了良好的訓練環(huán)境，營造了積極向上的參賽氛圍。
在電子競賽的準備過程中，適逢暑假，假期長，學生們可以充分利用暑假時間認真復習電子器件、數(shù)字電子電路、集成電路分析與設(shè)計等課程的理論知識。同時，學生們還學習華大EDA軟件，進行實際電路和版圖繪制上機練習，培養(yǎng)了理論聯(lián)系實踐的學風。通過競賽準備，學生需要綜合運用所學知識，解決競賽中遇到的各種問題，提高了運用理論知識解決實際問題的能力。通過競賽準備，磨合了小組間的默契配合和分工，增進了師生情誼，提高了團隊作戰(zhàn)能力。通過競賽準備，找出了自己在知識上的不足，明確了社會的需要、工作崗位的需要和工作性質(zhì)，樹立了新的奮斗目標，產(chǎn)生了學習新的動力。
4.參賽對嵌入式系統(tǒng)和集成電路設(shè)計教學改革的啟示
北京大學生集成電路設(shè)計競賽對于培養(yǎng)學生參加實踐的積極性、理論聯(lián)系實際的學風和團隊意識有著重要作用，競賽給學生提供了一個施展才華、發(fā)揮創(chuàng)新能力的機會和平臺。并對高校集成電路設(shè)計課程的教學內(nèi)容和電子科學與技術(shù)的課程體系改革和學生今后工作起到一定的引導作用。
4.1 知識整合的系統(tǒng)教學思想
自從1958年基爾比發(fā)明集成電路以后，集成電路一直按照摩爾定律的預測飛速發(fā)展。面對集成電路如此迅猛的發(fā)展形勢，教學工作也要與時俱進，不斷改革創(chuàng)新。我承擔《嵌入式系統(tǒng)》和《集成電路分析與設(shè)計》課程，深深體會到微電子專業(yè)的學生學習嵌入式系統(tǒng)與其他專業(yè)有所區(qū)別，因為芯片的設(shè)計方向日益朝著片上系統(tǒng)SOC、片上可編程系統(tǒng)SOPC的方向發(fā)展[3]。學生不僅需要有系統(tǒng)的概念[4]，同時需要對典型處理器體系結(jié)構(gòu)有清晰的理解，在設(shè)計SOC芯片時才會有系統(tǒng)的設(shè)計思想[5]，又會對處理器內(nèi)部體系架構(gòu)有清晰的概念。因此，在對微電子專業(yè)的學生講授嵌入式系統(tǒng)時，要緊密結(jié)合集成電路設(shè)計的要求，結(jié)合集成電路分析與設(shè)計、數(shù)字電子、模擬電子、電子器件等課程的內(nèi)容，使學生不僅對處理器結(jié)構(gòu)體系清楚，更熟悉各模塊電路，如ALU單元電路、筒形移位器、乘法器、寄存器、SRAM、DRAM單元等等。在處理器的，培養(yǎng)學生系統(tǒng)的概念，掌握外部單元電路，如存儲器單元電路、系統(tǒng)總線單元、SPI、IIC、UART等等接口電路，從使用者的期望角度出發(fā)，來進行芯片的設(shè)計，既是使用者，又是設(shè)計者。學生在學習集成電路設(shè)計的課程時，緊密結(jié)合嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、結(jié)合處理器內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)，具有整體的大的系統(tǒng)性設(shè)計概念，整合學生對各個課程的分離的知識內(nèi)容，培養(yǎng)綜合運用所學知識解決系統(tǒng)問題。通過增加實驗和上機課時，提高學生將理論與實踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學生運用所學理論知識解決實際問題的能力。
4.2 改革傳統(tǒng)的教學模式
我國的大學課堂教學模式長期以來被德國教育家赫爾巴特的“四段論”與前蘇聯(lián)教育家凱洛夫的“五環(huán)節(jié)”所主宰，在新的教育環(huán)境和教育目標下，他們所倡導的課堂教學結(jié)構(gòu)和施教程序越來越明顯地暴露出它的弊端，最突出的是“以教代學”的陳腐教學思想和“注入式”、“滿堂灌”的落后教學方法.這種“以教師為中心，以教材為中心”的課堂教學，決定了學生在整個教學過程中所處的被動地位，很大程度地禁錮了學生的創(chuàng)造性思維，對學生自學能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)構(gòu)成了嚴重的障礙[2]。
現(xiàn)代教育理論指出：指導學生從實踐和探索中通過思考獲取知識，又在解決問題的探索活動中，運用已獲得的知識和技能是培養(yǎng)智能的最好途徑。
本次競賽上午閉卷完成理論知識的考試。本科生的上機操作內(nèi)容是根據(jù)提供的狀態(tài)圖設(shè)計一個計數(shù)器電路，然后進行原理圖的繪制，再次進行版圖繪制，進而進行DRC、LVS等環(huán)節(jié)驗證，并撰寫設(shè)計報告。學生需要利用數(shù)字電路中所學的狀態(tài)表，構(gòu)造出邏輯關(guān)系式，運用卡諾圖化簡得到最簡電路，最后再繪制單元電路，設(shè)計出具體的CMOS電路和版圖，并進行驗證。同時還需要構(gòu)造出計數(shù)器所需的時鐘電路。在上機的開始一個半小時中，指導老師可以參與指導，這樣增加了比賽中老師對學生的限時指導內(nèi)容，更有利于學生的競賽，符合培養(yǎng)人才的現(xiàn)論要求。
學生基本上完成了從需求分析、電路設(shè)計、繪制電路、（仿真）、版圖繪制、驗證到撰寫報告等環(huán)節(jié)。通過競賽，使學生能親自感受一個簡單的集成電路設(shè)計流程，培養(yǎng)了學生的系統(tǒng)設(shè)計概念。學生從早晨9點一直進行到下午六點，在短短的一天內(nèi)要完成筆試和7個小時的上機電路繪制和驗證等工作，小組成員只有密切配合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，保持堅韌不拔的精神，才能取得最終的勝利。這種方式非常有利于培養(yǎng)學生的合作精神和團隊精神，鍛煉了學生的毅力和體力。
施教之功，貴在引導。可以看出，競賽在很大程度上符合現(xiàn)代教育理論的要求，符合學生的認知規(guī)律。以學生為主體、教師為主導的教學模式正是以傳授知識為前提，以形成技能為基點，以培養(yǎng)智能為重心，以全面發(fā)展人才為歸宿。在《嵌入式系統(tǒng)》和《集成電路分析與設(shè)計》課程教學中，增大課程的實驗內(nèi)容，學生帶著問題，進行學習，進行思考、小組討論，經(jīng)老師點撥，實現(xiàn)了運用所學理論解決實際問題的過程，既培養(yǎng)了學生的綜合能力，又完成了教學任務(wù)，符合現(xiàn)代教育論的要求。
施教之旨，在于培養(yǎng)學習方法和思維方式，培養(yǎng)獲取新知及再創(chuàng)造之本領(lǐng)。將學生分成小組，布置某一命題，發(fā)揮學生的主動性，引導他們查閱資料，分析歸納總結(jié)，并在課堂中進行報告或?qū)嶒炑菔尽W生反映效果很好，獲取了知識，又培養(yǎng)了學生自學能力和主動獲取知識的方法。
5.引導學生參與科研，撰寫學術(shù)論文
通過大賽引導大學生形成一股扎扎實實的學習和研究的風氣。激發(fā)學生在專業(yè)領(lǐng)域的學習興趣，參與到老師平時的科研中，增加動手實踐的機會。并在科研中進一步培養(yǎng)學生的研究興趣，形成良性循環(huán)。對于取得的研究成果，可以引導學生撰寫論文，并能在廣大同學中起到表率作用。
6.結(jié)束語
培養(yǎng)二十一世紀集成電路設(shè)計人才是我們教師面臨的歷史任務(wù)。北京市2011首屆“華大九天杯”大學生集成電路大賽以充分調(diào)動各方面的參與積極性。正確的指導思想、科學的組織程序、踏實認真的準備工作以及大賽對校企合作、對教學改革將產(chǎn)生重要的影響。實踐表明，開展大學生集成電路設(shè)計競賽，對于推進我國集成電路人才培養(yǎng)、推進素質(zhì)教育、理論實踐結(jié)合能力、解決問題的能力、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、團隊協(xié)作能力和培養(yǎng)學生的集體榮譽感等方面具有重要意義，同時也對高校的集成電路設(shè)計課程和實踐教學改革起一定的引導作用，極大的強化了學生繪制版圖、電路設(shè)計能力和集成電路設(shè)計思想。
參考文獻
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2569-2663.
致謝：競賽工作是由國家自然基金贊助（No.60976028）；北京工業(yè)大學博士基金贊助（No.X0002014201101，No.X0002012200802 and No.X00020
如果單個光子所能攜帶的信息量大幅度增加，將極大地提高量子通信的效率，同時還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩裕⒃诹孔恿W的一些基本問題研究方面有非常重要的應(yīng)用。（來源：《科技日報》2013年10月12日）
美國發(fā)明生化電子人
據(jù)美國媒體13日報道，一批美國工程師利用人造器官、肢體和其它身體組織，成功組裝出會呼吸、說話和走路的逼真生化電子人（bionic man），11月11日在紐約國際動漫展公開亮相。
將播出紀錄片《不可思議的生化電子人》（The Incredible Bionic Man），描述這些工程師如何利用人造腎臟、血液循環(huán)系統(tǒng)，一直到植入式電子耳和視網(wǎng)膜等組件，組裝能夠?qū)嶋H運作的機器人。
主持這項計劃的影子機器人公司主管沃爾克說，他們利用全球各地17家廠商提供的組件組裝生化電子人，以期顯示醫(yī)學已有多大的進展。
他說，這具機器人身高6.5英尺（約1.98米），擁有大約六、七成真人的功能，能在Rex助步機協(xié)助下，走動、坐下和站立。它配置的人工心臟，能夠利用電子工具跳動和促成人造血液循環(huán)，像人類一樣輸送氧氣。它也用植入式人工腎臟，取代現(xiàn)代洗腎機。（來源：中新網(wǎng)2013年10月14日）
科學家用3D打印機制造終結(jié)者機械手臂
據(jù)英國新科學家雜志報道，它看上去如同科幻電影道具，事實上是未來新款人體假肢。目前，3D打印機可以制作透明塑料質(zhì)地的日常生活用品，因此我們能夠十分詳細地掌握其如何運行，這種精致的3D打印假肢就是一個典型的例子，它在倫敦科學博物館3D打印展覽會上展出，是此次展出600多件3D打印物品之一。
這款“終結(jié)者手臂”是由英國諾丁漢大學附加制造和3D打印研究學會主管理查德·海格設(shè)計的，他和學生們展示了3D打印機如何制造這種結(jié)實的假肢，以及可移動關(guān)節(jié)和微妙傳感器——類似螺旋形狀的金屬觸摸傳感器。（來源：英國《新科學家》2013年10期）
美國可控核聚變實驗取得里程碑意義的突破
美國利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（National Ignition Facility）利用192束高能激光聚焦到氫燃料球上，創(chuàng)造高溫高壓以點燃核聚變反應(yīng)。
據(jù)報道，在9月末進行的一次聚變實驗中，聚變反應(yīng)釋放出的能量超過了氫燃料球吸收的能量——在全世界聚變裝置中首次取得了里程碑突破。半個世紀以來，可控核聚變研究經(jīng)歷了無數(shù)次的挫折，最新的突破將能進一步推動聚變能量的研究。（來源：看引擎2013年10月8日）
西伯利亞的神奇蘑菇有望治療艾滋病
據(jù)英國每日郵報報道，目前，俄羅斯科學家稱，生長在西伯利亞的一種蘑菇可用于治療艾滋病。
生長在樺樹上的樺褐孔菌蘑菇引起科學家的關(guān)注，有望用于進一步科學研究。新西伯利亞市維克多學會科學家指出，三種不同的蘑菇可用于研制抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物，然而樺褐孔菌蘑菇更具獨特功效。研究結(jié)果顯示這種蘑菇具有低毒性和較強的抗病毒作用，它將有效治療流行性感冒、天花和艾滋病。
科學家認為樺褐孔菌蘑菇含有樺木酸，具有抗逆轉(zhuǎn)錄病毒和消炎作用。數(shù)個世紀以來，西伯利亞當?shù)鼐用裨眠@種蘑菇作為治療藥物，一些人相信這種蘑菇具有抗癌作用。（來源：英國每日郵報2013年9月20日）
生命之熵
當我們看到一個物體時，往往一眼就能直觀地判斷出它是不是生物（生命體）。例如，看到狗或貓時，立刻就知道它是生物，而你正在讀的這本雜志不是生物，做出這樣的判斷對你來說沒什么難度。
那么，必須依賴宿主才能存活和增殖的病毒是不是生物呢？面對智力與動作越來越接近人類的高智能機器人，你是否感覺到它們也擁有鮮活的生命性質(zhì)呢？如今，科學家已經(jīng)成功培育出了iPS細胞（誘導性多能干細胞）。在不久的將來，也許利用一個體細胞就能培育出一個嶄新的生命體。（來源：《科學世界》2013年10期）
半浮柵晶體管將引發(fā)芯片革命
上海復旦大學微電子學院張衛(wèi)教授帶領(lǐng)的科研團隊，成功研制出半浮柵晶體管，有望讓電子芯片的性能實現(xiàn)突破性提升。該成果發(fā)表在今年8月9日的《科學》雜志上，這也是我國科學家在《科學》上發(fā)表的首篇有關(guān)微電子器件的研究論文。
張衛(wèi)帶領(lǐng)的科研團隊嘗試把一個TFET和浮柵器件結(jié)合起來，構(gòu)成了一種全新的“半浮柵”結(jié)構(gòu)的器件，稱為半浮柵晶體管，它在降低功耗和提高性能這兩方面都取得了很大的突破。浮柵晶體管，是將電子隧穿過高勢壘（接近8.9 電子伏特）的二氧化硅絕緣介質(zhì)，而半浮柵晶體管，則是將電子隧穿過低勢壘（1.1 電子伏特）的硅材料，隧穿勢壘大大降低。（來源：《環(huán)球科學》2013年第10期）
勘驗冰川消融
我們知道氣候正在變遷，但若想真正理解這種變化可能比較困難。“極端冰雪調(diào)查”計劃將這種變化具象地呈現(xiàn)出來：通過近百萬張用延時攝影技術(shù)拍攝的照片，詹姆斯·巴洛格和他的同事現(xiàn)在獲得了無可爭議、令人扼腕的證據(jù)，證明古老的冰川確實正在消失。詹姆斯·巴洛格于2007年開始這項計劃，當時設(shè)想其過程可能會持續(xù)兩年。他們在格陵蘭島、冰島、美國阿拉斯加州、阿爾卑斯山和落基山的冰川旁布下25臺太陽能相機。詹姆斯·巴洛格從未料到能夠在這么短的時間里看到這樣巨大的變遷。拍下的照片中顯示冰川正在以超出我們想象的速度斷裂和融化。人們需要認識到，氣候變化確實正在發(fā)生。（來源：《華夏地理》2013年第10期）
新型熱敏涂料可伴隨溫度變化改變汽車顏色
關(guān)鍵詞 半導體器件物理 應(yīng)用型本科院校 課程改革
中圖分類號：G420 文獻標識碼：A
Semiconductor Device Physics Curriculum
Reform in Applied Undergraduate Institute
XU Mingkun
(Department of Physics and Electronics, Caohu University, Caohu, Anhui 238000)
Abstract The semiconductor device physics is a very important course of the microelectronics professional. Departure from the practice of classroom teaching, for the problems in the current teaching process, combine the characteristics of applied undergraduate college students, explore the reform "Physics of Semiconductor Devices" classroom teaching, stimulate students' enthusiasm for active learning; and effectively, make students in the classroom for better learning results, and lay a good foundation for subsequent courses. Practice shows that our exploration has achieved good teaching effect.
Key words semiconductor device physics; applied undergraduate institute; curriculum reform
0 引言
自從第一個半導體點接觸式晶體管發(fā)明以來，以集成電路（IC）為核心的微電子技術(shù)得到了迅速發(fā)展，開創(chuàng)了人類的硅文明時代。由于微電子技術(shù)發(fā)展迅速，對專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了新的要求。①《半導體器件物理》是微電子學及電子科學與技術(shù)專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，討論半導體器件的結(jié)構(gòu)、基本工作原理、電學特性、器件的特殊效應(yīng)以及器件的基本分析方法。通過該課程學習，可為學生后續(xù)專業(yè)課如《集成電路設(shè)計》以及《集成電路工藝》等的學習打下理論基礎(chǔ)，是學習本專業(yè)其他專業(yè)課程以及從事IC設(shè)計工作的基礎(chǔ)。
1 教學中遇到的問題
半導體器件物理特點為理論性強、枯燥、晦澀難懂，而且要求學生對前期知識尤其是對半導體物理基本知識熟練掌握。對于應(yīng)用型本科院校來說，學生基礎(chǔ)相對薄弱，自學能力也相對不足。因此使得教學過程中教師“教”與學生“學”之間不能實現(xiàn)良好的銜接。在教授基本理論的同時應(yīng)該更重視學生實踐能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學理念以教師講課為主，實行的是“填鴨式”的灌輸教育，教學手段單一僵化，完全無視學生的學習主動性和個體特點，加上大部分學生對理論性很強的專業(yè)課熱情不足，很難取得預想的教學效果。現(xiàn)代半導體器件發(fā)展迅速，但是半導體器件物理教材僅僅有基本原理和基本特性，不能覆蓋該行業(yè)最新的發(fā)展動態(tài)，也很難引起學生學習的興趣。鑒于此，有必要對半導體器件物理課程進行改革。
2 半導體器件物理教學改革初探
2.1 教師的相關(guān)知識儲備
現(xiàn)代高校教師應(yīng)該具有“基礎(chǔ)精深，專業(yè)寬新”的教學理念，即要求教師對該課程及相關(guān)課程有深厚的知識儲備，對該課程的理論體系有系統(tǒng)的掌握。同時對與該課程相關(guān)的科技前沿有足夠的了解和認識，并且對學生先期的知識儲備情況有充分的了解。能根據(jù)學生的具體情況對課程內(nèi)容進行處理。在基本理論的講解上要詳細透徹，對重難點反復講解。例如能帶在整個半導體器件中的作用非常重要，這就要求學生能夠熟練掌握各個半導體器件的能帶圖。因此，在半導體器件的各個章節(jié)都重點強調(diào)能帶的作用。并且把每種器件的能帶圖作為重點內(nèi)容反復強調(diào)。在專業(yè)課教學中，更應(yīng)在理論知識夠用的前提下，著重培養(yǎng)學生的實踐能力，使學生對于本專業(yè)領(lǐng)域具有扎實的理論基礎(chǔ)、廣闊的知識面和較強的實踐能力。為了增強學生的學習興趣,在緒論部分可以增加對晶體管發(fā)明歷史的介紹，講述電子器件從電子管到晶體管的發(fā)現(xiàn)，新器件產(chǎn)生的辯證發(fā)展過程。并融入一些科學研究方法，同時在課程教學中可以穿插介紹一些科學家的軼聞趣事，以知識性和趣味性增加學生對本課程歷史的認識、對半導體器件的感性和理性認識，提高學生對本課程學習的興趣。②
2.2 引入多媒體教學開發(fā)教學動畫課件
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學已成為現(xiàn)在學校必不可少的教學手段。比起以往的黑板粉筆教學有著獨特的效果，多媒體教學可以形象直觀地把所講內(nèi)容展現(xiàn)給每一個學生，有利于學生對知識的掌握。因此，運用多媒體技術(shù)上課是大勢所趨。上課過程中可以播放一些和教材內(nèi)容相關(guān)的視頻講座來提高學生的學習興趣，還可以讓學生了（下轉(zhuǎn)第218頁）（上接第209頁）解最新的科技前沿。
半導體器件內(nèi)部機制變化非常抽象復雜，利用Flas可以形象直觀地把這些抽象的變化過程反映出來。③將抽象理論知識動起來，加深學生對理論知識的深刻理解。例如制作PN結(jié)的形成過程、PN結(jié)能帶形成的動畫、雙極型晶體管載流子的傳輸以及各電流形成的Flas、MOS結(jié)構(gòu)中多子的積累、耗盡、弱反型、強反型等形成的動畫等。能使學生在視覺上直觀感受其物理過程所發(fā)生的變化，還能進一步加深對該過程中一些物理量的理解。
2.3 結(jié)合最新科技前沿引入討論課
在講解基本理論的同時，結(jié)合自己的科研成果，把當前最新的科學技術(shù)成果介紹給學生，還可以就某一學生感興趣的課題進行討論。同時介紹科技論文的查閱方式和方法，讓學生課外通過互聯(lián)網(wǎng)等各種渠道獲取一些新近發(fā)展狀況。專門安排討論課，讓學生對自己掌握的信息進行交流討論。比如，在講解場效應(yīng)管時，可以讓學生查閱此類半導體器件最新的技術(shù)、發(fā)展瓶頸和發(fā)展趨勢，并就此類問題進行討論。在講授太陽能電池時，可以讓學生收集日常生活中應(yīng)用較為廣泛的太陽能電池實例，并就當前的環(huán)境污染、能源危機等話題展開討論，從而讓學生對太陽能技術(shù)有更深刻的認識。在講授發(fā)光二極管時，可就當前熱門的LED背光源電視與傳統(tǒng)的LCD電視比較，找出其特點及優(yōu)點。但是要強調(diào)現(xiàn)在的LED背光源電視與真正的LED電視還有相當大的差距，讓學生根據(jù)此類問題收集相關(guān)資料，并進行討論。這樣的教學不但鍛煉了學生的自學能力，激發(fā)興趣，做到與時俱進，還可以讓學生了解到最新的科技前沿，為其以后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。
2.4 拓展實驗課程
半導體器件物理是實驗和理論相結(jié)合的課程。通過開設(shè)實驗課程，可以讓學生自己動手把所學到的理論知識運用到實踐中來。同時還可以把一些簡單的驗證性實驗拓展為綜合性設(shè)計性實驗。例如四探針測量方塊電阻的同時讓學生自己結(jié)合所學知識設(shè)計計算摻雜濃度，晶體管特性參數(shù)及曲線測試實驗中，為學生提供一些不合格的晶體管，讓學生自己判斷分析晶體管的缺陷。半導體器件仿真是現(xiàn)代半導體技術(shù)中非常重要的組成部分，由于大三學生已經(jīng)學過MATLAB相關(guān)課程，因此可以開設(shè)半導體器件仿真實驗，讓學生自己編寫程序?qū)Ω鞣N器件進行簡單的仿真。雖然許多計算也可以借助另外的數(shù)學工具軟件來完成，但是從MATLAB應(yīng)用的廣泛程度而言， 熟練掌握MATLAB對學生的進一步深造或就業(yè)等都將是非常有益的。這樣不僅驗證理論知識，還拓展了課堂內(nèi)容。既激發(fā)了學生學習該課程的興趣，還提高了學生的分析問題解決問題的能力。
3 總結(jié)
半導體器件物理是微電子專業(yè)非常重要的課程，本文從課堂教學實踐出發(fā)，針對目前教學過程中存在的問題與不足，結(jié)合應(yīng)用型本科院校學生特點，探索改革“半導體器件物理”課堂教學，激發(fā)學生主動學習的積極性；并有效地多渠道、多方面使學生在課堂中獲得較好的學習效果，為后續(xù)課程的學習打下良好的基礎(chǔ)。實踐表明，我們的探索取得了良好的教學效果。
注釋
① 汪慧蘭.微電子技術(shù)課程設(shè)置與改革初探[J].內(nèi)蒙古電大學刊,2008(11):100-101.
信息科學資源開發(fā)利用的前景
盡管信息科學的奧秘遲至本世紀才由控制論、信息科學論等現(xiàn)代科學所揭示，但人類卻一直生活在信息科學的海洋中。最近，筆者根據(jù)資料，把人在利用信息科學方面的幾個重要歷史時期整理成如下表格。表格說明，人類長期以來，一直在致力于發(fā)展收集、處理和傳輸信息科學的能力，以便快速、有效地利用信息科學資源。信息科學資源的發(fā)展狀況是不同尋常的，專家學者們把它的迅速增長，稱為“爆炸性增長”。他們指出，信息科學資源和傳統(tǒng)的資源、能源不同，不是越使用越少，而是越使用越多，越消費越增長。日新月異的科學發(fā)現(xiàn)和層出不窮的技術(shù)發(fā)明。是新知識、新信息科學不斷增加和出現(xiàn)爆炸性增長的主要原因。自1750年以來，科學知識約50年增加10倍，為世界人口增長速度的2.5倍。有人作過如下統(tǒng)計：到七十年代初為止，世界每年出版的科技圖書達50萬種，科技雜志4萬多種，科技論文多達300萬篇，此外還有大量的文集、研究報告、專刊文獻等其他信息科學。在出現(xiàn)新技術(shù)革命以后的三十年中，新增加的知識和信息科學、占人類全部知識信息科學的90%。在利用信息科學資源方面，人類已經(jīng)通過科學技術(shù)的發(fā)展、尤其是現(xiàn)代科學中的信息科學論、控制論、系統(tǒng)論等學科的誕生，使人類認識到信息科學是自然界的第三大資源，懂得了信息科學的巨大功能和價值。信息科學作為生產(chǎn)力、競爭力和經(jīng)濟成就的關(guān)鍵，也已日益為經(jīng)濟和社會的發(fā)展所證實。在這種情況下，人類迅速提高了利用信息科學資源的自覺性。這種自覺性，正是人類發(fā)展信息科學技術(shù)、提高利用信息科學資源能力的強大動力。在新的技術(shù)革命中，計算機、微電子、現(xiàn)代通信等信息科學處理和傳遞技術(shù)正在突飛猛進，信息科學革命已成為新技術(shù)革命的主要標志。從七十年代開始的第一次信息科學革命和八十年代開始的第二次信息科學革命，都是人類為提高利用信息科學資源的能力而作的努力。經(jīng)過這兩次信息科學革命，信息科學化已經(jīng)由點發(fā)展到面，出現(xiàn)計算機和現(xiàn)代通信相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)信息科學化和系統(tǒng)信息科學化。這樣，就使信息科學資源可以更迅速、更有效、更準確地為人類所利用。根據(jù)上面的分析，我們可以對信息科學資源利用的誘人前景，作出如下預測性的描述：首先，在未來的技術(shù)革命和世界新的產(chǎn)業(yè)革命中，可以開發(fā)利用的信息科學資源將急劇增加，繼續(xù)呈現(xiàn)爆炸性的增長，信息科學資源將在未來的科學技術(shù)和經(jīng)濟社會的發(fā)展中扮演更為重要的角色。其次，隨著第二次信息科學革命繼續(xù)向縱深發(fā)展，利用信息科學資源的處理和傳遞技術(shù)，將對經(jīng)濟社會的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，如果一個國家信息科學技術(shù)落后，那么它必將在技術(shù)經(jīng)濟方面拉開和發(fā)達國家的差距。第三，由于開發(fā)利用信息科學資源的需要，信息科學科學技術(shù)必將得到迅速的發(fā)展。以信息科學為中心的新研究群和新知識群正在崛起。新的研究群和知識群將由信息科學科學、微電子學、信息科學處理、信息科學通信、系統(tǒng)論、決策論、信息科學經(jīng)濟學、信息科學通訊未來研究、信息科學技術(shù)評價、知識社會學、信息科學法學、信息科學管理等知識門類組成。第四，由于信息科學資源的重要性日益增強和信息科學化社會的形成，社會將有更多的人去研究信息科學資源開發(fā)利用問題和從事信息科學資源開發(fā)利用的實際工作。
未來的決策和信息科學決策學
信息科學資源利用的發(fā)展前景，在決策方面為我們提供了那些啟示呢？可以說，沒有信息科學的決策實際上是不存在的。
在未來研究專家們看來，任何決策除了必須以有關(guān)決策對象的過去和現(xiàn)狀的資料為依據(jù)外，還必須更多地依靠有關(guān)決策對象發(fā)展趨勢的未來信息科學。這樣做的理由很簡單，因為任何決策都是面向未來的，都是籌劃未來的行動目標和行動的方案的。從這個意義上說，信息科學資源開發(fā)利用的前景給我們的啟示，主要有以下四個方面：
一、制訂有關(guān)信息科學資源開發(fā)利用的決策時，必須把這種前景作為決策的未來信息科學。
二、我們必須盡快地作出有利于發(fā)展信息科學技術(shù)的各種決策，使信息科學技術(shù)得到更快地發(fā)展。
三、與人才的培養(yǎng)有關(guān)，隨著信息科學資源開發(fā)和利用范圍的不斷擴大，我國在這方面的人才必然奇缺。這就要求我們盡早地作出培養(yǎng)和訓練信息科學人才滿足未來需要的決策。這個問題，應(yīng)當作為科研、教育等方面體制改革的重點來抓。
四、隨著信息科學資源的不斷增長，人們從大量的信息科學中迅速、有效、準確地選擇決策所必須依據(jù)的信息科學的難度，也必然隨著加大，這將迫使人們從理論上和方法上進一步研究信息科學和決策的關(guān)系問題，研究信息科學因素對決策成敗的影響。
【關(guān)鍵詞】互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療；互聯(lián)網(wǎng)+；Extjs MVVM；Thinkphp MVC
【Abstract】With the rapid development of society， people’s material life level requirement increased sharply， health consciousness and disease awareness is also growing， in such a situation， the traditional medical coping with such a situation is difficulting， Internet medical arises at the historic moment.This thesis is under the background of “Internet +”， providing a way of the combination of the Internet and health care. Website system front-end based on Extjs MVVM framework and back-end based on the Thinkphp MVC framework.The article mainly introduces the following parts： frame， development process， the function of the overall design，The realization of the function of the front-end and back-end（including the design of the database）.
【Key words】The health management system； Extjs MVVM； Thinkphp MVC； Medical
1 框架結(jié)構(gòu)簡介
1.1 ThinkPHP MVC[1]
MVC英文即Model- View- Controller，它是把一個應(yīng)用的輸入、處理、輸出流程按照Model（模型層）， View（視圖層）， Controller（控制層）三層進行強制分離。
View層代表與用戶交互的界面，對于Web應(yīng)用來說，也可以大概概括為HTML界面，但MVC設(shè)計模式對于視圖的處理僅限于View上數(shù)據(jù)的采集和處理，相關(guān)的業(yè)務(wù)流程的處理不是在這里實現(xiàn)的。
Model層就是業(yè)務(wù)流程/狀態(tài)的處理以及業(yè)務(wù)規(guī)則的制定，是整個MVC的核心。模型層接受View層請求的數(shù)據(jù)，返回處理結(jié)果。數(shù)據(jù)的處理、邏輯和功能的計算都是在這里完成的。
Controller層用來接受用戶的操作并調(diào)用模型和視圖完成用戶的需求。可以理解為從用戶接收請求，將模型與視圖匹配在一起，共同完成用戶的請求。劃分控制層的作用也很明顯，控制器就是一個分發(fā)器，選擇什么樣的模型，選擇什么樣的視圖，可以完成什么樣的用戶請求。控制層并不做任何的數(shù)據(jù)處理，它接受用戶的輸入并調(diào)用模型和視圖去完成用戶的需求。
ThinkPHP是一個性能卓越并且功能豐富的輕量級PHP開發(fā)框架，框架本身就是MVC結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。它可以支持WIN/Unix/Linux服務(wù)器環(huán)境，支持Mysql， PgSQL， Sqlite以及PDO等多種數(shù)據(jù)庫[2-3]，ThinkPHP框架本身沒有什么特別模塊要求，具體的應(yīng)用系統(tǒng)運行環(huán)境要求視開發(fā)所涉及的模塊。其工作流程如圖1：
本網(wǎng)站后端[4]的開發(fā)采用ThinkPHP框架，一方面處理用戶登錄及注冊的邏輯判斷、套餐及體檢機構(gòu)的篩選查詢等一系列前端的業(yè)務(wù)邏輯及數(shù)據(jù)處理，另一方面操作Oracle數(shù)據(jù)庫，通過對界面的可視化操作，完成對數(shù)據(jù)庫進行增刪改查等的一系列操作等。
1.2 ExtJS MVVM
MVVM[5-6]包括Model、View和ViewModel三部分，其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。該框架的工作原理是：模型層的業(yè)務(wù)邏輯在服務(wù)器上執(zhí)行，視圖層與視圖模型層在用戶端執(zhí)行，視圖模型層監(jiān)視視圖層的狀態(tài)，從模型層根據(jù)用戶需要獲取數(shù)據(jù)；視圖模型層解決視圖層與模型層之間的數(shù)據(jù)傳遞與交換，保證View與Model層的數(shù)據(jù)同步。
本網(wǎng)站系統(tǒng)用ExtJs框架做前端，降低了代碼的冗余度，提高了復用性。
2 系統(tǒng)概要設(shè)計
2.1 網(wǎng)站開發(fā)流程
首先做的是對本健康醫(yī)療網(wǎng)[7-8]的需求進行分析，包括市場前景、用戶分析等；然后需要對醫(yī)療平臺進行規(guī)劃，包括內(nèi)容策劃（就是網(wǎng)站要展示哪些內(nèi)容，分主次）、界面策劃（網(wǎng)站主體的風格規(guī)劃）以及網(wǎng)站功能；再做項目開發(fā)，包括界面設(shè)計、程序設(shè)計、系統(tǒng)的整合；最后一步就是測試驗收，包括三部分：項目人員測試、非項目人員測試以及公開的測試。
2.2 系統(tǒng)的整體功能設(shè)計
本網(wǎng)站主要包括六塊功能，包括體檢套餐、體檢中心、檢后服務(wù)、單位體檢、健康管理、健康宣傳教育。其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示：
3 系統(tǒng)詳細設(shè)計與實現(xiàn)
3.1 前臺功能實現(xiàn)
本系統(tǒng)的前端界面主要分為六個部分：體檢套餐、體檢中心、檢后服務(wù)、單位體檢、健康管理、健康教育。系統(tǒng)流程如圖4所示：
健康教育模塊包括動態(tài)資訊、體檢知識、健康大數(shù)據(jù)、中醫(yī)資訊等，主要目的是普及一些健康知識；健康優(yōu)選模塊包括營養(yǎng)保健、健康醫(yī)療、穿戴設(shè)備等，主要功能是推廣一些對健康有益的產(chǎn)品；體檢套餐模塊主要是推薦一些特色的體檢套餐；體檢中心模塊主要是介紹體檢機構(gòu)的信息以及路線等；單位體檢包括體檢軟件系統(tǒng)、電子報告查詢等，主要是面向團檢的模塊；檢后服務(wù)提供如體檢報告查詢、報告解讀、疾病風險評估等一些特色服務(wù)。
3.2 后臺功能的實現(xiàn)
后臺首先配置數(shù)據(jù)庫的連接信息等。本數(shù)據(jù)庫包含眾多的數(shù)據(jù)表，比如用戶表，用來存儲系統(tǒng)的用戶信息；新聞表，用于前端的健康教育模塊，文章內(nèi)容、標題、圖片等信息都是在這里管理的；套餐表，套餐的價格、名字、簡介等皆是在此存儲，進而控制在前端體檢套餐模塊的顯示信息。
本系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫，采用的數(shù)據(jù)庫設(shè)計軟件是PowerDesigner。數(shù)據(jù)庫部分設(shè)計圖如圖5所示：
操作數(shù)據(jù)庫是通過php語言實現(xiàn)的，這里采用的是Thinkphp框架。
4 結(jié)束語
如今是互聯(lián)網(wǎng)完全普及的時代，用互聯(lián)網(wǎng)的思維考慮醫(yī)療的發(fā)展，是發(fā)展的趨勢。本文為網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療的融合提供了一種參考方式[9]。
【參考文獻】
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1、各國競相出臺納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計劃
由于納米技術(shù)對國家未來經(jīng)濟、社會發(fā)展及國防安全具有重要意義，世界各國（地區(qū)）紛紛將納米技術(shù)的研發(fā)作為21世紀技術(shù)創(chuàng)新的主要驅(qū)動器，相繼制定了發(fā)展戰(zhàn)略和計劃，以指導和推進本國納米科技的發(fā)展。目前，世界上已有50多個國家制定了國家級的納米技術(shù)計劃。一些國家雖然沒有專項的納米技術(shù)計劃，但其他計劃中也往往包含了納米技術(shù)相關(guān)的研發(fā)。
（1）發(fā)達國家和地區(qū)雄心勃勃
為了搶占納米科技的先機，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術(shù)計劃（NNI），其宗旨是整合聯(lián)邦各機構(gòu)的力量，加強其在開展納米尺度的科學、工程和技術(shù)開發(fā)工作方面的協(xié)調(diào)。2003年11月，美國國會又通過了《21世紀納米技術(shù)研究開發(fā)法案》，這標志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計劃，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。
日本政府將納米技術(shù)視為“日本經(jīng)濟復興”的關(guān)鍵。第二期科學技術(shù)基本計劃將生命科學、信息通信、環(huán)境技術(shù)和納米技術(shù)作為4大重點研發(fā)領(lǐng)域，并制定了多項措施確保這些領(lǐng)域所需戰(zhàn)略資源（人才、資金、設(shè)備）的落實。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進從基礎(chǔ)性到實用性的研發(fā)，同時跨省廳重點推進能有效促進經(jīng)濟發(fā)展和加強國際競爭力的研發(fā)。
歐盟在2002—2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術(shù)給予了空前的重視。該計劃將納米技術(shù)作為一個最優(yōu)先的領(lǐng)域，有13億歐元專門用于納米技術(shù)和納米科學、以知識為基礎(chǔ)的多功能材料、新生產(chǎn)工藝和設(shè)備等方面的研究。歐盟委員會還力圖制定歐洲的納米技術(shù)戰(zhàn)略，目前，已確定了促進歐洲納米技術(shù)發(fā)展的5個關(guān)鍵措施：增加研發(fā)投入，形成勢頭；加強研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施；從質(zhì)和量方面擴大人才資源；重視工業(yè)創(chuàng)新，將知識轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和服務(wù)；考慮社會因素，趨利避險。另外，包括德國、法國、愛爾蘭和英國在內(nèi)的多數(shù)歐盟國家還制定了各自的納米技術(shù)研發(fā)計劃。
（2）新興工業(yè)化經(jīng)濟體瞄準先機
意識到納米技術(shù)將會給人類社會帶來巨大的影響，韓國、中國臺灣等新興工業(yè)化經(jīng)濟體，為了保持競爭優(yōu)勢，也紛紛制定納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。韓國政府2001年制定了《促進納米技術(shù)10年計劃》，2002年頒布了新的《促進納米技術(shù)開發(fā)法》，隨后的2003年又頒布了《納米技術(shù)開發(fā)實施規(guī)則》。韓國政府的政策目標是融合信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)3個主要技術(shù)領(lǐng)域，以提升前沿技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的水平；到2010年10年計劃結(jié)束時，韓國納米技術(shù)研發(fā)要達到與美國和日本等領(lǐng)先國家的水平，進入世界前5位的行列。
中國臺灣自1999年開始，相繼制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，以追求“學術(shù)卓越”和“納米科技產(chǎn)業(yè)化”為目標，意在引領(lǐng)臺灣知識經(jīng)濟的發(fā)展，建立產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。
（3）發(fā)展中大國奮力趕超
綜合國力和科技實力較強的發(fā)展中國家為了迎頭趕上發(fā)達國家納米科技發(fā)展的勢頭，也制定了自己的納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。中國政府在2001年7月就了《國家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導協(xié)調(diào)委員會、國家納米科學中心和納米技術(shù)專門委員會。目前正在制定中的國家中長期科技發(fā)展綱要將明確中國納米科技發(fā)展的路線圖，確定中國在目前和中長期的研發(fā)任務(wù)，以便在國家層面上進行指導與協(xié)調(diào)，集中力量、發(fā)揮優(yōu)勢，爭取在幾個方面取得重要突破。鑒于未來最有可能的技術(shù)浪潮是納米技術(shù)，南非科技部正在制定一項國家納米技術(shù)戰(zhàn)略，可望在2005年度執(zhí)行。印度政府也通過加大對從事材料科學研究的科研機構(gòu)和項目的支持力度，加強材料科學中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開發(fā)。
2、納米科技研發(fā)投入一路攀升
納米科技已在國際間形成研發(fā)熱潮，現(xiàn)在無論是富裕的工業(yè)化大國還是渴望富裕的工業(yè)化中國家，都在對納米科學、技術(shù)與工程投入巨額資金，而且投資迅速增加。據(jù)歐盟2004年5月的一份報告稱，在過去10年里，世界公共投資從1997年的約4億歐元增加到了目前的30億歐元以上。私人的納米技術(shù)研究資金估計為20億歐元。這說明，全球?qū){米技術(shù)研發(fā)的年投資已達50億歐元。
美國的公共納米技術(shù)投資最多。在過去4年內(nèi)，聯(lián)邦政府的納米技術(shù)研發(fā)經(jīng)費從2000年的2.2億美元增加到2003年的7.5億美元，2005年將增加到9.82億美元。更重要的是，根據(jù)《21世紀納米技術(shù)研究開發(fā)法》，在2005～2008財年聯(lián)邦政府將對納米技術(shù)計劃投入37億美元，而且這還不包括國防部及其他部門將用于納米研發(fā)的經(jīng)費。
日本目前是僅次于美國的第二大納米技術(shù)投資國。日本早在20世紀80年代就開始支持納米科學研究，近年來納米科技投入迅速增長，從2001年的4億美元激增至2003年的近8億美元，而2004年還將增長20%。
在歐洲，根據(jù)第六個框架計劃，歐盟對納米技術(shù)的資助每年約達7.5億美元，有些人估計可達9.15億美元。另有一些人估計，歐盟各國和歐盟對納米研究的總投資可能兩倍于美國，甚至更高。
中國期望今后5年內(nèi)中央政府的納米技術(shù)研究支出達到2.4億美元左右；另外，地方政府也將支出2.4億～3.6億美元。中國臺灣計劃從2002～2007年在納米技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域中投資6億美元，每年穩(wěn)中有增，平均每年達1億美元。韓國每年的納米技術(shù)投入預計約為1.45億美元，而新加坡則達3.7億美元左右。
就納米科技人均公共支出而言，歐盟25國為2.4歐元，美國為3.7歐元，日本為6.2歐元。按照計劃，美國2006年的納米技術(shù)研發(fā)公共投資增加到人均5歐元，日本2004年增加到8歐元，因此歐盟與美日之間的差距有增大之勢。公共納米投資占GDP的比例是：歐盟為0.01%，美國為0.01%，日本為0.02%。
另外，據(jù)致力于納米技術(shù)行業(yè)研究的美國魯克斯資訊公司2004年的一份年度報告稱，很多私營企業(yè)對納米技術(shù)的投資也快速增加。美國的公司在這一領(lǐng)域的投入約為17億美元，占全球私營機構(gòu)38億美元納米技術(shù)投資的46%。亞洲的企業(yè)將投資14億美元，占36%。歐洲的私營機構(gòu)將投資6.5億美元，占17%。由于投資的快速增長，納米技術(shù)的創(chuàng)新時代必將到來。
3、世界各國納米科技發(fā)展各有千秋
各納米科技強國比較而言，美國雖具有一定的優(yōu)勢，但現(xiàn)在尚無確定的贏家和輸家。
（1）在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下
根據(jù)中國科技信息研究所進行的納米論文統(tǒng)計結(jié)果，2000—2002年，共有40370篇納米研究論文被《2000—2002年科學引文索引（SCI）》收錄。納米研究論文數(shù)量逐年增長，且增長幅度較大，2001年和2002年的增長率分別達到了30.22%和18.26%。
2000—2002年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領(lǐng)先于其他國家，3年累計論文數(shù)超過10000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日本（12.76%）、德國（11.28%）、中國（10.64%）和法國（7.89%）位居其后，它們各自的論文總數(shù)都超過了3000篇。而且以上5國2000—2002年每年的納米論文產(chǎn)出大都超過了1000篇，是納米研究最活躍的國家，也是納米研究實力最強的國家。中國的增長幅度最為突出，2000年中國納米論文比例還落后德國2個多百分點，到2002年已經(jīng)超過德國，位居世界第三位，與日本接近。
在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國3年累計論文總數(shù)都超過了1000篇，且每年的論文數(shù)排位都可以進入前10名。這5個國家可以列為納米研究較活躍的國家。
另外，如果歐盟各國作為一個整體，其論文量則超過36%，高于美國的29.46%。（2）在申請納米技術(shù)發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭
據(jù)統(tǒng)計：美國專利商標局2000—2002年共受理2236項關(guān)于納米技術(shù)的專利。其中最多的國家是美國（1454項），其次是日本（368項）和德國（118項）。由于專利數(shù)據(jù)來源美國專利商標局，所以美國的專利數(shù)量非常多，所占比例超過了60%。日本和德國分別以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數(shù)也較多，所占比例都超過了1%。
專利反映了研究成果實用化的能力。多數(shù)國家納米論文數(shù)與專利數(shù)所占比例的反差較大，在論文數(shù)最多的20個國家和地區(qū)中，專利數(shù)所占比例超過論文數(shù)所占比例的國家和地區(qū)只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區(qū)在納米技術(shù)研究上具備一定的實力，但比較側(cè)重于基礎(chǔ)研究，而實用化能力較弱。
（3）就整體而言納米科技大國各有所長
美國納米技術(shù)的應(yīng)用研究在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤等領(lǐng)域快速發(fā)展。隨著納米技術(shù)在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應(yīng)用，目前美國納米研究熱點已逐步轉(zhuǎn)向醫(yī)學領(lǐng)域。醫(yī)學納米技術(shù)已經(jīng)被列為美國國家的優(yōu)先科研計劃。在納米醫(yī)學方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進行早期診斷。2004年，美國國立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術(shù)計劃》，目的是將納米技術(shù)、癌癥研究與分子生物醫(yī)學相結(jié)合，實現(xiàn)2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標；利用納米顆粒追蹤活性物質(zhì)在生物體內(nèi)的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細胞等在人體內(nèi)的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5～10年有望商業(yè)化。
雖然醫(yī)學納米技術(shù)正成為納米科技的新熱點，納米技術(shù)在半導體芯片領(lǐng)域的應(yīng)用仍然引人關(guān)注。美國科研人員正在加緊納米級半導體材料晶體管的應(yīng)用研究，期望突破傳統(tǒng)的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術(shù)是這一領(lǐng)域中最受關(guān)注的地方。不少科學家試圖利用化學反應(yīng)來合成納米顆粒，并按照一定規(guī)則排列這些顆粒，使其成為體積小而運算快的芯片。這種技術(shù)本來有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術(shù)。在光學新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長度達到幾百微米的納米導線。
日本納米技術(shù)的研究開發(fā)實力強大，某些方面處于世界領(lǐng)先水平，但尚未脫離基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段，距離實用化還有相當一段路要走。在納米技術(shù)的研發(fā)上，日本最重視的是應(yīng)用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發(fā)出多種不同結(jié)構(gòu)的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結(jié)構(gòu)、富勒結(jié)構(gòu)套富勒結(jié)構(gòu)、納米管套富勒結(jié)構(gòu)、酒杯疊酒杯狀結(jié)構(gòu)等。
在制造方法上，日本不斷改進電弧放電法、化學氣相合成法和激光燒蝕法等現(xiàn)有方法，同時積極開發(fā)新的制造技術(shù)，特別是批量生產(chǎn)技術(shù)。細川公司展出的低溫連續(xù)燒結(jié)設(shè)備引起關(guān)注。它能以每小時數(shù)千克的速度制造粒徑在數(shù)十納米的單一和復合的超微粒材料。東麗和三菱化學公司應(yīng)用大學開發(fā)的新技術(shù)能把制造碳納米材料的成本減至原來的1／10，兩三年內(nèi)即可進入批量生產(chǎn)階段。
日本高度重視開發(fā)檢測和加工技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學顯微鏡等的性能不斷提高，并涌現(xiàn)了諸如數(shù)字式顯微鏡、內(nèi)藏高級照相機顯微鏡、超高真空掃描型原子力顯微鏡等新產(chǎn)品。科學家村田和廣成功開發(fā)出亞微米噴墨印刷裝置，能應(yīng)用于納米領(lǐng)域，在硅、玻璃、金屬和有機高分子等多種材料的基板上印制細微電路，是世界最高水平。
日本企業(yè)、大學和研究機構(gòu)積極在信息技術(shù)、生物技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)為納米技術(shù)尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細微、更高性能的元器件和量子計算機，解析分子、蛋白質(zhì)及基因的結(jié)構(gòu)等。不過，這些研究大都處于探索階段，成果為數(shù)不多。
歐盟在納米科學方面頗具實力，特別是在光學和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導體、復合材料、醫(yī)學材料、智能材料等方面的研究能力較強。
中國在納米材料及其應(yīng)用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學、納米器件和納米生物醫(yī)學研究方面與發(fā)達國家有明顯差距。
4、納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化步伐加快
目前，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化尚處于初期階段，但展示了巨大的商業(yè)前景。據(jù)統(tǒng)計：2004年全球納米技術(shù)的年產(chǎn)值已經(jīng)達到500億美元，2010年將達到14400億美元。為此，各納米技術(shù)強國為了盡快實現(xiàn)納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，都在加緊采取措施，促進產(chǎn)業(yè)化進程。
美國國家科研項目管理部門的管理者們認為，美國大公司自身的納米技術(shù)基礎(chǔ)研究不足，導致美國在該領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用缺乏動力，因此，嘗試建立一個由多所大學與大企業(yè)組成的研究中心，希望借此使納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)緊密結(jié)合在一起。美國聯(lián)邦政府與加利福尼亞州政府一起斥巨資在洛杉礬地區(qū)建立一個“納米科技成果轉(zhuǎn)化中心”，以便及時有效地將納米科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界。該中心的主要工作有兩項：一是進行納米技術(shù)基礎(chǔ)研究；二是與大企業(yè)合作，使最新基礎(chǔ)研究成果盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其研究領(lǐng)域涉及納米計算、納米通訊、納米機械和納米電路等許多方面，其中不少研究成果將被率先應(yīng)用于美國國防工業(yè)。
美國的一些大公司也正在認真探索利用納米技術(shù)改進其產(chǎn)品和工藝的潛力。IBM、惠普、英特爾等一些IT公司有可能在中期內(nèi)取得突破，并生產(chǎn)出商業(yè)產(chǎn)品。一個由專業(yè)、商業(yè)和學術(shù)組織組成的網(wǎng)絡(luò)在迅速擴大，其目的是共享信息，促進聯(lián)系，加速納米技術(shù)應(yīng)用。
日本企業(yè)界也加強了對納米技術(shù)的投入。關(guān)西地區(qū)已有近百家企業(yè)與16所大學及國立科研機構(gòu)聯(lián)合，不久前又建立了“關(guān)西納米技術(shù)推進會議”，以大力促進本地區(qū)納米技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程；東麗、三菱、富士通等大公司更是紛紛斥巨資建立納米技術(shù)研究所，試圖將納米技術(shù)融合進各自從事的產(chǎn)業(yè)中。
歐盟于2003年建立納米技術(shù)工業(yè)平臺，推動納米技術(shù)在歐盟成員國的應(yīng)用。歐盟委員會指出：建立納米技術(shù)工業(yè)平臺的目的是使工程師、材料學家、醫(yī)療研究人員、生物學家、物理學家和化學家能夠協(xié)同作戰(zhàn)，把納米技術(shù)應(yīng)用到信息技術(shù)、化妝品、化學產(chǎn)品和運輸領(lǐng)域，生產(chǎn)出更清潔、更安全、更持久和更“聰明”的產(chǎn)品，同時減少能源消耗和垃圾。歐盟希望通過建立納米技術(shù)工業(yè)平臺和增加納米技術(shù)研究投資使其在納米技術(shù)方面盡快趕上美國。
關(guān)鍵詞：交通行業(yè)，GIS，視頻監(jiān)控系統(tǒng)
1. 引言
城市交通視頻監(jiān)控模型是行車組織和客運組織重要的輔助設(shè)備，是保證運輸安全、應(yīng)對緊急事態(tài)的重要解決手段。目前主要采用兩種組網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，即模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控。前者技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，并且在工程中也得到了廣泛的應(yīng)用，但由于該視頻監(jiān)控系統(tǒng)中信息流是模擬的視頻信號，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用單功能、單向、集總方式的信息采集網(wǎng)絡(luò)，介質(zhì)專用，具有一定的局限性，要滿足更高的要求，須采用數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
與模擬視頻監(jiān)控相比，數(shù)字視頻監(jiān)控更加便于計算機進行視頻信息的壓縮、儲存、分析和顯示。通過各種視頻和圖像的算法分析，實現(xiàn)自動接警處理，達到無人值守；同時，借助網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)遠距離監(jiān)控，即使是數(shù)千公里外也能達到親臨現(xiàn)場的效果，并且能夠更加快速的了解現(xiàn)場情況。論文參考。
利用先進的軟件系統(tǒng)在幾分鐘內(nèi)便可完成傳統(tǒng)視頻監(jiān)控中大量的數(shù)據(jù)分析，獲得更為逼真、清晰的數(shù)字化圖像，提高監(jiān)控效率。達到非常實用的監(jiān)控管理和遠程維護。
2. 系統(tǒng)構(gòu)成及功能
城市交通視頻監(jiān)控模型采用純IP部署，配合網(wǎng)絡(luò)攝像機、編碼器及存儲設(shè)備，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)攝像機與編碼器直接寫存儲功能，且網(wǎng)絡(luò)攝像機與編碼器對中心存儲具備冗余備份功能，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻接入、瀏覽、錄像、回放、管理和轉(zhuǎn)發(fā)等功能的同時，還能對系統(tǒng)進行二次應(yīng)用開發(fā)，與其它圖像信息系統(tǒng)整合，提供頗具特色的增值業(yè)務(wù)，如車牌識別、人臉識別和人數(shù)統(tǒng)計等。
系統(tǒng)應(yīng)用級采用基于GIS（Gographic Information Systems）可視化展現(xiàn)，并且利用空間分析與空間定位，借助高清卡口的監(jiān)控信息，進行車輛路線分析，實現(xiàn)各種肇事車輛行駛路線的自動繪制。
在部署、應(yīng)用、管理及安全等各方面都提供了全新的、創(chuàng)新的解決方案，擁有前所未有的網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)勢。其中，主干網(wǎng)設(shè)計采用FDDI，保障了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斝省Ｕ撐膮⒖肌?/p>
整個交通行業(yè)視頻監(jiān)控模型主要包括四部分：視頻存儲管理、監(jiān)控中心、傳輸網(wǎng)絡(luò)以及前端系統(tǒng)。系統(tǒng)部署視圖如圖1所示：
圖1 交通行業(yè)視頻監(jiān)控模型系統(tǒng)部署視圖
系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖2所示：
圖2 交通行業(yè)視頻監(jiān)控模型總體架構(gòu)
視頻存儲管理平臺主要實現(xiàn)平臺管理、智能存儲管理和客戶端管理等。監(jiān)控中心主要完成用戶管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理、安全管理、增值業(yè)務(wù)管理和認證管理，從而實現(xiàn)對監(jiān)控平臺中的各個站點和用戶的管理及用戶權(quán)限的分配。
監(jiān)控中心通過接入認證請求，實現(xiàn)對前端視頻圖像的實時監(jiān)控，對前端云臺的實時控制，以便快速響應(yīng)異常情況。同時，支持對存儲的歷史圖像調(diào)用和查看等功能。由大屏幕顯示系統(tǒng)、軟/硬件解碼器、主控臺及監(jiān)控管理軟件組成，供專業(yè)用戶使用。用戶在得到授權(quán)的情況下，可以通過前端系統(tǒng)完成各種系統(tǒng)功能的訪問。
傳輸網(wǎng)絡(luò)提供了可以通過任意支持TCP/IP的承載網(wǎng)絡(luò)（城域網(wǎng)、局域網(wǎng)以及各類接入網(wǎng)絡(luò)）進行視頻業(yè)務(wù)的傳輸。在行業(yè)市場，用戶更關(guān)注的是以太網(wǎng)、PON網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)以及ATM網(wǎng)絡(luò)。
前端系統(tǒng)主要包括視頻編碼器、攝像機及報警探頭等設(shè)備。其中，編碼器用于實現(xiàn)音視頻信號編碼、傳輸以及輔助設(shè)備的控制。目前交通行業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)能兼容國內(nèi)主流廠商的DVR、DVS和網(wǎng)絡(luò)攝像機產(chǎn)品，同時可以提供SDK支持二次開發(fā)，接入更多的前端廠家的設(shè)備。
3. 模型領(lǐng)域分析
自2000年的中國第一臺DVR（Digital Video Recorder）數(shù)字硬盤錄像機設(shè)備問世并進入安防領(lǐng)域以來，截至2009年已經(jīng)占據(jù)了視頻監(jiān)控領(lǐng)域接近65％的市場份額，其實現(xiàn)的主要功能是視頻和音頻信號采集以及本地數(shù)字化存儲，但由于其自身架構(gòu)設(shè)計的原因，始終無法解決網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控的長延時、無法多路同時監(jiān)控、無法實現(xiàn)前端存儲、集中監(jiān)控和建設(shè)維護成本高等問題。
隨著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的發(fā)展，NVR（Network Video Recorder）技術(shù)頻繁被國內(nèi)外廠商提及，在國外已經(jīng)將此技術(shù)應(yīng)用到某些高端安防領(lǐng)域了。交通行業(yè)視頻監(jiān)控解決方案中的智能存儲管理設(shè)計基于NVR技術(shù)，提供視頻圖像存儲、回放、檢索和視頻圖像的轉(zhuǎn)發(fā)功能。前端編碼器或者網(wǎng)絡(luò)攝像機通過與智能存儲設(shè)備之間確定的協(xié)議，直接將前端的視頻圖像寫入智能存儲設(shè)備，而不需要再單獨提供存儲服務(wù)器。對于接收到的視頻圖像，可以回放給客戶端進行查看和調(diào)用。同時，與前端編碼器或網(wǎng)絡(luò)攝像機形成冗余備份保護方案，當編碼器與智能存儲設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)中斷后，編碼器或網(wǎng)絡(luò)攝像機啟動本地存儲；當網(wǎng)絡(luò)恢復通信后，智能存儲設(shè)備會自動將編碼器或網(wǎng)絡(luò)攝像機存儲在本地的錄像數(shù)據(jù)取到智能存儲設(shè)備上進行集中保存。通過智能存儲管理設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時，訪問方只要訪問智能存儲管理單元并告知要訪問的前端設(shè)備，智能存儲管理設(shè)備可代為取到視頻流并轉(zhuǎn)發(fā)給該訪問方；通過智能存儲管理設(shè)備分發(fā)時，一路視頻通過存儲設(shè)備可以被復制成多路送達不同的訪問方。
4. 模型特點
交通行業(yè)視頻監(jiān)控模型的特點如下：
Ø先進的網(wǎng)絡(luò)部署以及網(wǎng)絡(luò)的智能保護：采用前端系統(tǒng)直接將視頻信息寫入存儲單元，當網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)問題時，前端設(shè)備的本地存儲啟動；當網(wǎng)絡(luò)恢復后，系統(tǒng)會自動將前端設(shè)備存儲的錄像數(shù)據(jù)取到存儲設(shè)備上進行集中保存。同時主干網(wǎng)設(shè)計采用FDDI，提高主干網(wǎng)的可靠性和安全性；
Ø彈性組網(wǎng)更靈活：可實現(xiàn)分布式部署集中式管理，也可以通過系統(tǒng)設(shè)置實現(xiàn)分級部署和分級管理；
Ø開發(fā)兼容性更強：采用開放式的協(xié)議兼容國內(nèi)主流廠商的前端設(shè)備；開放性結(jié)構(gòu)設(shè)計，提供有豐富的API和SDK包，便于第三方程序的集成；
Ø高度智能效率更高：通過對存儲的視頻信息智能分析，提供多種檢索方式，快速準確進行圖像定位和調(diào)用；
Ø可視化監(jiān)控標繪提供直觀分析：可以根據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在GIS上可視化的展現(xiàn)監(jiān)控地點和監(jiān)控圖像，并且對肇事車輛進行路線的自動繪制，便于更加直觀的分析其行駛路線；
Ø交通行業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)為行業(yè)提供了一套標準的、開放的、智能的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控解決方案。
5. 結(jié)束語
隨著網(wǎng)絡(luò)通信和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，視頻監(jiān)控以其直觀、方便和內(nèi)容豐富等特點，日益受到人們的青睞。論文參考。基于空間地理信息系統(tǒng)的可視化展現(xiàn)，在矢量地圖和影像地圖的雙重結(jié)合下可視化視頻節(jié)點展現(xiàn)使得該項應(yīng)用逐漸成為城市交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，市場應(yīng)用將會逐漸擴大，應(yīng)用前景非常可觀。
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關(guān)鍵詞：小波變換 數(shù)字水印 非對稱 RSA算法
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0030-03
1 數(shù)字水印的發(fā)展
從1993年由Tirkel等人所編寫的“數(shù)字水印”文中第一次提到了數(shù)字水印的概念到現(xiàn)在，這門學科的出現(xiàn)僅僅只有20年左右的時間。在這短短的20年間，數(shù)字水印技術(shù)，從被人提及、忽視，到發(fā)展、為人所接受重視，再到后來數(shù)字水印技術(shù)被眾多專家和機構(gòu)重點研究，這伴隨著一代又一代的革命性的變革。
1.1 第一代數(shù)字水印―― 時/空域算法
最早期出現(xiàn)的水印是時/空域算法，這種算法的思想是通過某種方法將水印信息直接的嵌入到視頻電子數(shù)據(jù)、音頻電子數(shù)據(jù)和圖像電子數(shù)據(jù)等電子載體中。其中最典型的兩種算法為：最低有效位算法和Patchwork算法。在這里僅作簡要說明如下。
LSB算法的算法思想是使用事先約定的特定密鑰采用M序列發(fā)生器產(chǎn)生一個隨機信號，隨后，按照事先的規(guī)則轉(zhuǎn)換為二維水印信號，最后，將水印新號嵌入到原始圖像的像素值最低1位（或2位）。因為水印信號隱藏在最低幾位，這就相當于只直接疊加了一層很低能量的信號，在人體視覺和聽覺感知范圍內(nèi)，都基本察覺不到。這種算法雖然可以隱藏的信息量相對較多，但是被隱藏的信息也極容易被消除，無法滿足數(shù)字水印魯棒性的要求，所以在目前的數(shù)字水印研究和開發(fā)中，這中算法已經(jīng)漸漸淡出視野。然而，必須指出的是，由于可以具有可以嵌入大量水印信息這一優(yōu)勢，LSB在隱蔽通信中仍占據(jù)著相當重要的地位。
另一種經(jīng)典的時/空域算法方案是Patchwork方案，它是由Bander人提出的基于統(tǒng)計的數(shù)字水印方案。Patchwork方案的思想是只需任意選擇出M對圖像點，在降低一個像素點亮度值的同時，增加對應(yīng)點的亮度值，這樣并沒有改變整體圖像的亮度。利用這種調(diào)整變化實現(xiàn)嵌入水印。該算法不可見性較好，而且對于一些壓縮變化和少量而已攻擊有一定的抵抗能力。然而該算法由于嵌入的比特率不高，因此對共謀攻擊抵抗力很差。
1.2 第二代數(shù)字水印―― 頻域算法
頻域水印算法思想是采用相應(yīng)的頻域變換方法（DWT、DCT等），把數(shù)字圖像從空域系數(shù)轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的頻域系數(shù)；然后，依據(jù)具體的待嵌入的信息類型，采取不同的編碼與變形；接著，對已經(jīng)選定的頻域系數(shù)序列進行修改；最后，把修改過的頻域系數(shù)做反變換，變換成空間域的數(shù)據(jù)。雖然頻域算法的操作比較復雜，但憑借著其優(yōu)秀的抗攻擊能力，使之迅速成為水印研究的主要方向。
2 一種新型水印方案
綜上所述，其實人們還沒有開發(fā)出一種近乎完美的算法實現(xiàn)數(shù)字水印的嵌入，人們總是在對數(shù)字水印的各種高指標要求總是在不斷平衡中不斷尋找更加適合、更加貼近完美的數(shù)字水印算法。在前人研究的基礎(chǔ)上，提出一種新型基于小波變換的非對稱數(shù)字密鑰水印算法。下面，將按照此次完整的設(shè)計方案順序?qū)υ摂?shù)字水印算法體系進行介紹。
2.1 密鑰處理
這里采用非對稱密鑰對，利用保密級較高的RSA算法生成。RSA算法最先是在1978年由美國麻省理工學院論文中提出的。其名稱RSA算法，也是由三位創(chuàng)始者姓名的首字母組成。RSA算法是利用大整數(shù)因子分解問題是數(shù)學界上至今沒有有效解決方法的世界性著名難題基礎(chǔ)上建立的，它成為RSA算法安全性的重要保證。RSA算法系統(tǒng)是公鑰系統(tǒng)的應(yīng)用最廣泛、最具有代表性的算法，許多使用非對稱密碼進行加密和數(shù)字簽名方法體系均是使用RSA算法。
RSA算法的一般過程是生成一對RSA密鑰，一個由版權(quán)所有者保存，是加密時所以要的保密密鑰，由版權(quán)所有者保存，而另外一個是可以對外公開的公開密鑰（或解密密鑰），可以將其安全的散播到互聯(lián)網(wǎng)中，對應(yīng)此人就開可以采用自己的私有密鑰急性接收并解密。其算法的實現(xiàn)原理如下：
首先，隨機任取兩個不同的大質(zhì)數(shù)p和q，計算他們的乘積r=p×q（為達到一定的安全性，RSA算法密鑰一般采用210位或者211位）。然后，隨機選擇一個大整數(shù)e，但需要保證（p-1）×（q-1）與e互質(zhì)，這樣的整數(shù)e是相對方便選擇的，因為任何大于質(zhì)數(shù)p和q的質(zhì)數(shù)都可以滿足條件。而這里將采用e作為加密密鑰。接著，由計算公式：d×e=1 mod（p-1）×（q-1）確定出解密密鑰d。然后，r和e可以被公開，一起作為加密密鑰，對明文P進行加密的算法為C=p^e mod r。這里的C便是通過加密的密文。解密算法為：P=C^d mod r。
2.2 原始水印處理
原始水印又可以成為原始信息，一般來說一共有五大類，即：（1）彩色圖像，比如具有象征、代表版權(quán)歸屬信息的照片、彩色商標以及其它圖片。（2）二值圖片，常見的又簽名圖像、圖章以及圖片。（3）灰度圖像，比如灰度圖像、灰度商標以及灰度圖片。（4）文本信息，比較常見的有ID序列號、信息、簽名等。（5）聲音信號，想音頻信號、語音信號、音樂等都可以，但是這種形式的水印比較不常見。本文采用比較鮮明的圖像才作為原始水印信息。為了增強數(shù)字水印的安全性，需要對其進行一定的加密，首先對原始數(shù)字水印信息通過Arnold進行亂序預處理。
2.3 水印嵌入
水印嵌入算法是水印算法的核心，直接決定了水印系統(tǒng)的質(zhì)量。通過前面分析，水印的嵌入的方法有許多，經(jīng)過對比很容易發(fā)現(xiàn)，就目前而言，最能滿足水印各項性能指標要求的只有離散小波變換（Digital Wavelet Transfirm，DWT）。
小波變換的概念最先由法國工程師J.Morlet在1974年提出，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，已經(jīng)取得許多的理論上和實際應(yīng)用上的研究成果，他是繼傅里葉變換分析后的一個又一重要頻域變換。小波變換算法的根本算法思想是意圖先將圖像運用多分辨率分解，分解生成對應(yīng)不同時空，不同頻率的圖像，從而能夠達到人眼的視覺機制不可感知的標準。其原理和傅里葉變換大同小異，簡單來說，就是對來源于信號的函數(shù)進行加權(quán)。
假定是平方可積的函數(shù)，為基本小波函數(shù)，則有：
（2-2）
式（2）稱為對于的小波變換，這里的是尺度因子，且有，b是位移因子，且，是的共軛復數(shù)。在變換中，尺度因子決定了基本小波的伸縮性，越大，則越寬，越小，那么越窄，等同于角頻率。
這里主要采用對按冪級數(shù)桌布加大的方法對進行離散化，可以做二進制離散，即令，，；離散化b則令，是時間采樣間隔。然后，小波函數(shù)序列可以表示為：
（3）
那么對于任意函數(shù)的離散小波變換（DWT）可以寫為：
（4）
實現(xiàn)中，小波變換具有如下一些特點：
（1）小波變換與其他算法變化相比，擁有優(yōu)秀的從空余到頻域的定位能力：它可以良好的顯示出圖像的特性，比如紋理或邊緣區(qū)域的頻域還有空域的相互位置對應(yīng)關(guān)系。正因為此，才能夠方便的圖像在任意自定位置嵌入數(shù)字水印信。（2）小波變換還可以提升多分辨率的表達能力：它擁有多種分辨率的表示形式，從而能夠方便的對圖像進行直接多層次處理，減少了計算開銷。（3）小波變化的自適應(yīng)能力強：它可以靈活變換。針對不同的圖像類型可以采取多種形式的變換。
3 實驗結(jié)果分析
在matlab仿真軟件編譯，實現(xiàn)仿真界面如圖2所示。
3.1 對不可感知性的測試
（1）主觀測試。
主要是人眼對載入水印后的圖像不可感知性的檢驗，也是檢驗不可見水印的首要要求，本質(zhì)上是要求宿主信號應(yīng)遠大于水印信號，體現(xiàn)于視覺上，便是人的肉眼無法分辨出嵌入水印前后兩幅圖片的變化（見圖3）。該算法能充分保證水印的不可見性。
（2）客觀測試。
主觀測試在實際研發(fā)操作定量中，體現(xiàn)不出太多的價值，這時候偏向采用能夠具體體現(xiàn)失真數(shù)值的定量參數(shù)計算公式。常用的度量指標有：
信號噪聲比（SNR）：
（5）
峰值信噪比（PSNR）：
（6）
3.2 對魯棒性的測試
在對水印系統(tǒng)的魯棒性進行測試時，通常選用測試提取水印與原始水印的相似性，根據(jù)相似性的大小來檢驗水印的魯棒性。最常用的歸一化互相關(guān)系數(shù)為：
（7）
式（7）中，和分別表示原始水印和提取水印在位置的值。而且值應(yīng)該越大（接近1）越好。
3.3 測試結(jié)果匯總
在本次測試里，分別對嵌入水印的信息進行了：50%的JPEG壓縮攻擊處理、方差0.009高斯噪聲攻擊處理、方差0.01高斯噪聲攻擊處理、強度0.01椒鹽噪聲攻擊處理、2倍縮放攻擊處理、以及剪切攻擊處理。
恢復后的水印均能識別出“GUET”水印圖像，定量的測試值匯總?cè)绫?所示。
4 結(jié)論
此數(shù)字水印方案，使用了非對稱密鑰算法、Arnold變換、小波變換等多項技術(shù)相融合，通過matlab仿真軟件進行仿真，實驗證明，該非對稱水印方案具有可靠的檢測性能，對常見的圖像處理攻擊具有較好的魯棒性。這里并設(shè)計出一款操作簡單的非對稱水印嵌入和檢測提取軟件，在一定程度上起到借鑒作用。
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