時(shí)間：2022-11-16 13:03:49
開(kāi)篇：寫(xiě)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(xué)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
一、《微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)》是介紹微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)理論探索，展示微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)方面學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用成果的專(zhuān)業(yè)刊物，計(jì)算技術(shù)、微電子技術(shù)中文核心期刊，中國(guó)科學(xué)技術(shù)引文數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源期刊，為促進(jìn)學(xué)術(shù)交流和科研成果的轉(zhuǎn)化，引導(dǎo)和推動(dòng)我國(guó)微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的發(fā)展，歡迎從事計(jì)算機(jī)與微電子學(xué)理論研究、教學(xué)和應(yīng)用的廣大科技人員及愛(ài)好者踴躍投稿。
二、投稿要求如下：1．來(lái)稿內(nèi)容應(yīng)有較高學(xué)術(shù)水平，有創(chuàng)新之處，表達(dá)上做到主題突出、觀點(diǎn)明確、論據(jù)充分、結(jié)構(gòu)合理、層次清楚、語(yǔ)言通順、文字簡(jiǎn)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(wú)爭(zhēng)議，且未公開(kāi)發(fā)表過(guò)。3．來(lái)稿一般不超過(guò)8000字（含圖、表），內(nèi)容包括：中英文題目、中文作者姓名及漢語(yǔ)拼音的作者姓名、作者單位及英文譯名、作者簡(jiǎn)介（性別、出生年份、學(xué)位、職稱(chēng)及研究方向）、中英文摘要（250字左右）、關(guān)鍵詞（3～8個(gè)）、中圖分類(lèi)號(hào)、正文、參考文獻(xiàn)。如為基金項(xiàng)目資助論文，請(qǐng)?jiān)谖母迨醉?yè)注明，并列出批準(zhǔn)文號(hào)。4．摘要應(yīng)說(shuō)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。外文字母必須分清大小寫(xiě)、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(hào)，其位置高低應(yīng)區(qū)分明顯。6．圖、表不超過(guò)6幅；圖、表須有名稱(chēng)和編號(hào)，其內(nèi)容要與正文中的編號(hào)和說(shuō)明一致；插圖和照片必須是清繪圖和原照片，繪制符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，最好控制在7．5cm×7．5cm內(nèi)；有坐標(biāo)系的插圖，縱橫坐標(biāo)上均要有適宜的刻度、對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并標(biāo)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(xiàn)只擇最主要的列入，一般不超過(guò)10條，未公開(kāi)發(fā)表的資料請(qǐng)勿引用。文獻(xiàn)序號(hào)以文中出現(xiàn)的先后順序編排，文后須與正文中的一一對(duì)應(yīng)。文獻(xiàn)作者3名以?xún)?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(xiě)，但不加縮寫(xiě)點(diǎn)。
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英文名稱(chēng)：Acta Electronica Sinica
主管單位：中國(guó)科協(xié)
主辦單位：中國(guó)電子學(xué)會(huì)
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語(yǔ)
種：中文
開(kāi)
本：大16開(kāi)
國(guó)際刊號(hào)：0732-2112
國(guó)內(nèi)刊號(hào)：11-2087/TN
郵發(fā)代號(hào)：2-891
發(fā)行范圍：國(guó)內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時(shí)間：1962
期刊收錄：
CA 化學(xué)文摘(美)(2009)
SA 科學(xué)文摘(英)(2009)
SCI 科學(xué)引文索引(美)(2009)
CBST 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(bào)(日)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(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(yù)：
中科雙高期刊
第二屆全國(guó)優(yōu)秀科技期刊
第三屆(2005)國(guó)家期刊提名獎(jiǎng)期刊
聯(lián)系方式
期刊簡(jiǎn)介
《電子學(xué)報(bào)》（月刊）創(chuàng)刊于1962年，是中國(guó)電子學(xué)會(huì)主辦的高級(jí)學(xué)術(shù)刊物, 刊登電子與信息科學(xué)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(guó)電子與信息科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的新理論、新思想、新技術(shù)，具有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平的最新研究成果和技術(shù)進(jìn)展，為促進(jìn)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)中國(guó)電子與信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展服務(wù)。
本刊的辦刊宗旨是反映中國(guó)電子與信息科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的新理論、新思想、新技術(shù)，具有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平的最新研究成果和技術(shù)進(jìn)展，為促進(jìn)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)中國(guó)電子與信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展服務(wù)。
本刊設(shè)有：學(xué)術(shù)論文，科研通信，綜述評(píng)論等欄目。凡以電子與信息科學(xué)為主體（交叉學(xué)科論文必須側(cè)重電子與信息領(lǐng)域），在理論與應(yīng)用實(shí)踐上具有創(chuàng)新的，代表我國(guó)研究水平的學(xué)術(shù)論文，有科學(xué)依據(jù)和可靠數(shù)據(jù)的技術(shù)報(bào)告，階段性成果報(bào)告，以及屬于前沿學(xué)科，并對(duì)學(xué)科發(fā)展有指導(dǎo)意義的展望評(píng)論性文稿，均可向本刊投稿。
由于本刊覆蓋的學(xué)科專(zhuān)業(yè)較廣，出版時(shí)有意識(shí)地將相關(guān)學(xué)科和專(zhuān)業(yè)集中：第1、4、7、10期主要是通信與信號(hào)處理；第2、5、8、11期主要是微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及相鄰學(xué)科；第3、6、9、 12期主要是電子物理、真空電子學(xué)、微波與電磁場(chǎng)及相鄰學(xué)科。
關(guān)鍵詞:專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì);創(chuàng)新;教學(xué);探討
中圖分類(lèi)號(hào):G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》是電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)比較重要的專(zhuān)業(yè)課。為了培養(yǎng)寬口徑、基礎(chǔ)扎實(shí)的集成電路設(shè)計(jì)人才,滿(mǎn)足IC行業(yè)對(duì)人才的大量需求,無(wú)論是在微電子專(zhuān)業(yè),還是在相關(guān)的其他電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè),不少重點(diǎn)高等院校都已經(jīng)開(kāi)設(shè)了本門(mén)課程。在學(xué)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(shí)的基礎(chǔ)上,通過(guò)學(xué)習(xí)《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》課,進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)理論的學(xué)習(xí)和實(shí)踐的強(qiáng)化,進(jìn)一步掌握集成電路和電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)知識(shí),提高集成電路設(shè)計(jì)能力,增長(zhǎng)集成電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn);通過(guò)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué),來(lái)加強(qiáng)電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、版圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)以及集成電路設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的驗(yàn)證知識(shí)等,培養(yǎng)學(xué)生在集成電路設(shè)計(jì)方面的研究興趣,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步的深造打好基礎(chǔ)。
由于專(zhuān)業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)的需要,北京電子科技學(xué)院同樣開(kāi)設(shè)了《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》的專(zhuān)業(yè)選修課,授課對(duì)象是電子信息工程專(zhuān)業(yè)的本科生,由于非微電子的專(zhuān)業(yè)背景原因,他們并不具備足夠的半導(dǎo)體物理、晶體管原理等知識(shí),因此在本課程的教學(xué)過(guò)程中,必然要針對(duì)具體對(duì)象,調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,創(chuàng)新教學(xué)思路,加強(qiáng)教學(xué)研究,找到一種適合于非微電子專(zhuān)業(yè)本科生的教學(xué)思想和教學(xué)方法。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐,學(xué)生對(duì)于課程組在這一課程中的創(chuàng)新、探索和具體的教學(xué)方法比較認(rèn)可。這里把我們?cè)凇秾?zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》課教學(xué)實(shí)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(shí)際合理設(shè)置授課內(nèi)容,以學(xué)生能夠接受為目標(biāo)
電子信息工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》課程之前,已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)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(duì)于電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一定的理解,并進(jìn)行過(guò)比較系統(tǒng)的動(dòng)手實(shí)踐訓(xùn)練,為進(jìn)一步學(xué)習(xí)《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》課程打下了比較堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)。但是由于專(zhuān)業(yè)背景的原因,該專(zhuān)業(yè)不太可能只是為了《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》課而專(zhuān)門(mén)開(kāi)設(shè)《半導(dǎo)體物理》、《晶體管原理》等這些在微電子專(zhuān)業(yè)才有的課程,因此,與微電子專(zhuān)業(yè)相比,電子信息工程專(zhuān)業(yè)的本科生欠缺有關(guān)晶體管原理和半導(dǎo)體工藝等方面的必要知識(shí)。在設(shè)置授課內(nèi)容時(shí),必然要考慮到這一點(diǎn),總的原則應(yīng)當(dāng)是以學(xué)生能夠接受、但又不應(yīng)該過(guò)于輕松接受為目標(biāo),而且要盡量避免與《EDA技術(shù)》等課程的知識(shí)重復(fù)。
根據(jù)我們的課程內(nèi)容設(shè)置原則,將《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》課的講授內(nèi)容分為以下幾章:第一章:ASIC設(shè)計(jì)概述;第二章:CMOS邏輯;第三章:ASIC庫(kù)設(shè)計(jì);第四章:ASIC的前端設(shè)計(jì);第五章:ASIC的后端設(shè)計(jì);第六章:可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù);第七章:SOC設(shè)計(jì)技術(shù)簡(jiǎn)介。在各章的講授中,占用課時(shí)較多的分別是第二章、第三章和第五章。在講授時(shí)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力,使學(xué)生對(duì)專(zhuān)用集成電路的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等一整套流程有一般性、整體性的了解,建立專(zhuān)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(shì),激發(fā)學(xué)生潛在的對(duì)集成電路前、后端設(shè)計(jì)的興趣。為了配合理論教學(xué),提升教學(xué)效果,還設(shè)置了合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。
2 注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,以培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力為目標(biāo)
集成電路設(shè)計(jì)類(lèi)課程除了理論教學(xué)以外,實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要,因?yàn)檫@類(lèi)課程對(duì)學(xué)生的訓(xùn)練重點(diǎn)正是在于動(dòng)手實(shí)驗(yàn),提前接觸到未來(lái)在進(jìn)一步的研究和工作中可能會(huì)應(yīng)用到的一些軟件工具、設(shè)計(jì)流程以及設(shè)計(jì)技巧等,這樣才能促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合,真正幫助學(xué)生掌握ASIC設(shè)計(jì)技術(shù)。因此本課程要更加注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,著力培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力,進(jìn)而使學(xué)生能夠更加準(zhǔn)確、具體和形象地掌握在課堂上學(xué)到的理論知識(shí)。根據(jù)這一原則,經(jīng)過(guò)試用修訂,我們專(zhuān)門(mén)編印了《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》,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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),共設(shè)計(jì)了五個(gè)實(shí)驗(yàn),具體是:實(shí)驗(yàn)一:IC設(shè)計(jì)工具的使用;實(shí)驗(yàn)二:單元電路的前端設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)三:標(biāo)準(zhǔn)單元的版圖繪制與驗(yàn)證;實(shí)驗(yàn)四:四位加法器和減法器ASIC的設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)五:計(jì)數(shù)器ASIC的設(shè)計(jì)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)3學(xué)時(shí),其中實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)四和實(shí)驗(yàn)五為綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。
選用一種合適的集成電路設(shè)計(jì)工具是順利進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵。我們選用了美國(guó)Tanner Research公司開(kāi)發(fā)的一種優(yōu)秀集成電路設(shè)計(jì)工具――Tanner Tools Pro,它雖然在功能上不如Cadence、Synopsys等大型工具強(qiáng)大,但它的最大優(yōu)點(diǎn)是成本低,可以在PC機(jī)上使用,而且圖形處理速度快,編輯功能強(qiáng),便于學(xué)習(xí),使用方便,特別適用于高校進(jìn)行相關(guān)的教學(xué)和科研工作。Tanner Pro工具在美國(guó)和臺(tái)灣的很多大學(xué)中早已被廣泛應(yīng)用,臺(tái)灣不少I(mǎi)C設(shè)計(jì)企業(yè)也在使用Tanner Pro工具。該工具較新版本為T(mén)anner 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(duì))等幾個(gè)功能不同的子工具,滿(mǎn)足了集成電路設(shè)計(jì)從前端到后端、設(shè)計(jì)驗(yàn)證的一系列過(guò)程的需要,完全可以適用于《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》課程的實(shí)踐教學(xué)。通過(guò)我們?cè)谡n程實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的使用,發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)這個(gè)工具上手快、掌握熟,對(duì)于以后使用其他的IC設(shè)計(jì)工具也有一定的幫助,而且培養(yǎng)了他們將來(lái)涉足IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域的興趣和信心。圖1是學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中得到的一個(gè)版圖設(shè)計(jì)結(jié)果。
3 適當(dāng)講授最新技術(shù)進(jìn)展,以讓學(xué)生跟上行業(yè)發(fā)展腳步為目標(biāo)
我們都知道,集成電路設(shè)計(jì)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(jià)格每?jī)赡晗陆狄话氲闹哪柖?集成電路的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)發(fā)展日新月異。因此,在《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》的教學(xué)過(guò)程中,必須要根據(jù)教學(xué)大綱的要求,在系統(tǒng)講授已經(jīng)設(shè)置好的教學(xué)內(nèi)容的前提下,結(jié)合具體授課內(nèi)容,適當(dāng)講授最新技術(shù)進(jìn)展,以期讓學(xué)生跟上集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的腳步,并不斷將這些新技術(shù)、新進(jìn)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(shí)這除了讓學(xué)生可以接受到最新的知識(shí)和了解到該領(lǐng)域最新進(jìn)展之外,同時(shí)也是一個(gè)教學(xué)相長(zhǎng)的過(guò)程,對(duì)于教師的教學(xué)和相關(guān)科研也是一種無(wú)形的促進(jìn),可以督促教師不斷地跟蹤與IC設(shè)計(jì)、制造相關(guān)的最新研究成果,并進(jìn)行精心的組織,將這些成果有機(jī)融入到課程教學(xué)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(fù)使用,保證教師在教學(xué)中的激情,增強(qiáng)教學(xué)效果。
在這里僅僅舉一個(gè)具體例子。在一次講授到集成電路工藝的內(nèi)容時(shí),作者為同學(xué)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(duì)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(chēng)得上是“拯救摩爾定律”的一大技術(shù)進(jìn)展。本次課后,不少同學(xué)紛紛通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等來(lái)查閱這一最新工藝的具體情形,表現(xiàn)出了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。
4 創(chuàng)新課程考查方式,以激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步的研究興趣為目標(biāo)
一門(mén)課程的考查方式如何,對(duì)于這門(mén)課程能不能按照教師的預(yù)想,達(dá)到既定的最終教學(xué)目的,有著比較重要的作用。傳統(tǒng)的一張?jiān)嚲砣ァ翱肌背鰧W(xué)生學(xué)習(xí)效果的方式雖然比較簡(jiǎn)單省事,但卻過(guò)于單調(diào),雖然從某種程度上能夠考查出學(xué)生對(duì)這門(mén)課程知識(shí)的掌握程度,但是對(duì)于激發(fā)學(xué)生在學(xué)完這門(mén)課程之后,對(duì)本學(xué)科、本領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步研究的興趣卻作用不大。由于自從接受學(xué)校教育以來(lái)經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的考試,不少學(xué)生厭煩考試的情緒比較嚴(yán)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(shí)存在的、我們必須得承認(rèn)的事實(shí)。從某種意義上說(shuō),通過(guò)考試來(lái)考查學(xué)生的學(xué)習(xí),有時(shí)對(duì)最終教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)會(huì)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(xué)生對(duì)于這門(mén)課、這個(gè)領(lǐng)域、這個(gè)行業(yè)的獨(dú)特想法和創(chuàng)新思路。
作者在《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》教學(xué)過(guò)程中,結(jié)合課程的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn),積極探索并實(shí)踐了采用提交論文和現(xiàn)場(chǎng)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(shí),布置給學(xué)生論文題目,對(duì)于論文的范圍、參考文獻(xiàn)的篇數(shù)、論文的格式和字?jǐn)?shù)等做出明確而具體的規(guī)范,要求學(xué)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(zhuān)門(mén)的時(shí)間集中進(jìn)行答辯,每位學(xué)生對(duì)自己準(zhǔn)備的論文,進(jìn)行5分鐘左右的講解,并接受教師和其他學(xué)生的提問(wèn)。通過(guò)創(chuàng)新課程考查方式,提交論文和現(xiàn)場(chǎng)答辯相結(jié)合,讓學(xué)生在準(zhǔn)備論文和答辯材料的過(guò)程中對(duì)專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的知識(shí)梳理過(guò)程,現(xiàn)場(chǎng)答辯的方式也更能夠展現(xiàn)學(xué)生對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)的一些獨(dú)特的思路和創(chuàng)新性的理解,學(xué)生在經(jīng)歷這一過(guò)程時(shí),也促使自己積極思考,主動(dòng)研究,努力去探索和集成電路、微電子學(xué)有關(guān)的一些研究方法和最新進(jìn)展,激發(fā)自己在完成本門(mén)課程的學(xué)習(xí)后、甚至是大學(xué)畢業(yè)后進(jìn)行進(jìn)一步研究的興趣和信心;另外還在這個(gè)過(guò)程中提升了學(xué)生的論文寫(xiě)作能力、科學(xué)研究能力。
5 結(jié)束語(yǔ)
《專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)》課(或者其他名稱(chēng)的類(lèi)似課程)在不少設(shè)有微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)大學(xué)中開(kāi)設(shè)較為普遍,但在沒(méi)有微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的高校特別是非重點(diǎn)高校中開(kāi)設(shè)并不多,對(duì)于該課程教學(xué)實(shí)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(xué)實(shí)踐中,緊密?chē)@本校、本專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo),以授課對(duì)象為主體,遵循課程的教學(xué)規(guī)律和科學(xué)研究規(guī)律,選擇合適的授課內(nèi)容和教學(xué)方法,并且不斷地對(duì)此進(jìn)行探索和研究,收到了初步的教學(xué)效果。當(dāng)然,教學(xué)創(chuàng)新永無(wú)止境,教學(xué)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(xué)實(shí)踐中,作者將在加強(qiáng)學(xué)習(xí)以及與同行交流的前提下,進(jìn)一步拓寬和創(chuàng)新教學(xué)思路,探索和完善教學(xué)模式,研究和更新教學(xué)內(nèi)容,學(xué)習(xí)和探討教學(xué)技巧,敢于創(chuàng)新,善于創(chuàng)新,真正做到教好書(shū),育好人。
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關(guān)鍵詞微電子技術(shù)集成系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)DNA芯片
1引言
綜觀人類(lèi)社會(huì)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(xué)發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生而引發(fā)的，科學(xué)技術(shù)作為革命的力量，推動(dòng)著人類(lèi)社會(huì)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(gè)信息社會(huì)的基礎(chǔ)和核心的發(fā)展歷史充分證明了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。信息是客觀事物狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類(lèi)社會(huì)的重要資源，但對(duì)它的利用卻僅僅是開(kāi)始。當(dāng)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(duì)信息的利用，更好地滿(mǎn)足了人們對(duì)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(gè)地球成為一個(gè)“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(qiáng)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(lèi)的生產(chǎn)和生活方式，改變著經(jīng)濟(jì)形態(tài)和社會(huì)、政治、文化等各個(gè)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(shuō)，沒(méi)有微電子技術(shù)的進(jìn)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(gè)信息社會(huì)發(fā)展的基石。
50多年來(lái)微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實(shí)際上就是不斷創(chuàng)新的過(guò)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(gè)孤立的精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，而是一系列固體物理、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)等取得重大突破后的必然結(jié)果。1947年發(fā)明點(diǎn)接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場(chǎng)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(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器、CPU、非揮發(fā)存儲(chǔ)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(shí)，每一項(xiàng)重大發(fā)明又都開(kāi)拓出一個(gè)新的領(lǐng)域，帶來(lái)了新的巨大市場(chǎng)，對(duì)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(kāi)始，與硅技術(shù)有關(guān)的學(xué)術(shù)論文數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了與鋼鐵有關(guān)的學(xué)術(shù)論文，所以有人認(rèn)為，1968年以后人類(lèi)進(jìn)入了繼石器、青銅器、鐵器時(shí)代之后硅石時(shí)代（siliconage）〖1〗。因此可以說(shuō)社會(huì)發(fā)展的本質(zhì)是創(chuàng)新，沒(méi)有創(chuàng)新，社會(huì)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(jì)發(fā)展的改革動(dòng)力往往會(huì)給社會(huì)帶來(lái)“創(chuàng)造性的破壞”，但經(jīng)過(guò)這種破壞后，又將開(kāi)始一個(gè)新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會(huì)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(lài)于一系列創(chuàng)新性成果的出現(xiàn)。我們認(rèn)為：目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)很關(guān)鍵的時(shí)期，21世紀(jì)上半葉，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域主要有以下四個(gè)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(diǎn)；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(xué)；與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)，如MEMS，DNAChip等。
221世紀(jì)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(biāo)是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及性能價(jià)格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導(dǎo)體器件特征尺寸的動(dòng)力源泉。以MOS技術(shù)為例，溝道長(zhǎng)度縮小可以提高集成電路的速度；同時(shí)縮小溝道長(zhǎng)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(fù)雜、性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個(gè)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(jià)格大幅度下降。由于片內(nèi)信號(hào)的延遲總小于芯片間的信號(hào)延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒(méi)有提高，整個(gè)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(lái)，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(shí)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(yù)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(yù)測(cè)這種發(fā)展趨勢(shì)將減緩，但是微電子產(chǎn)業(yè)三十多年來(lái)發(fā)展的狀況證實(shí)了Moore的預(yù)言[2]。而且根據(jù)我們的預(yù)測(cè)，微電子技術(shù)的這種發(fā)展趨勢(shì)還將在21世紀(jì)繼續(xù)一段時(shí)期，這是其它任何產(chǎn)業(yè)都無(wú)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(shí)驗(yàn)室中制備成功，研究工作已進(jìn)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(yù)計(jì)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(jì)，起碼是21世紀(jì)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(xué)在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進(jìn)展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據(jù)科學(xué)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(shí)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(shí)間。另外，全世界數(shù)以萬(wàn)億美元計(jì)的設(shè)備和技術(shù)投入，已使硅基工藝形成非常強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)能力；同時(shí)，長(zhǎng)期的科研投入已使人們對(duì)硅及其衍生物各種屬性的了解達(dá)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(shí)積累。產(chǎn)業(yè)能力和知識(shí)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(huì)輕易放棄。
目前很多人認(rèn)為當(dāng)微電子技術(shù)的特征尺寸在2015年達(dá)到0．030～0．015微米的“極限”之后，將是硅技術(shù)時(shí)代的結(jié)束，這實(shí)際上是一種誤解。且不說(shuō)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(jì)技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面需要進(jìn)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(zhǎng)。即使是加工工藝技術(shù)，很多著名的微電子學(xué)家也預(yù)測(cè)，微電子產(chǎn)業(yè)將于2030年左右步入像汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽(yáng)工業(yè)領(lǐng)域。即使微電子產(chǎn)業(yè)步入汽車(chē)、航空等成熟工業(yè)領(lǐng)域，它仍將保持快速發(fā)展趨勢(shì)，就像汽車(chē)、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(lái)越小，不可避免地會(huì)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(wèn)題，究其原因，主要是：對(duì)其中的物理規(guī)律等科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)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(jí)的微電子器件，但對(duì)空間尺度為納米量級(jí)、空間尺度為飛秒量級(jí)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(wú)法滿(mǎn)足亞50納米器件及電路的需求；同時(shí)傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)也已無(wú)法滿(mǎn)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(xì)加工、互連、集成等關(guān)鍵工藝技術(shù)。具體的需要?jiǎng)?chuàng)新和重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域包括：基于介觀和量子物理基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件的輸運(yùn)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(jìn)光刻、13nmEUV光刻、超細(xì)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(xué)將帶來(lái)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(chēng)之為“scalingdown”，與此同時(shí)我們必須注意“bottomup”。“bottomup”最重要的領(lǐng)域有二個(gè)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(chǔ)器等。它的基本原理是基于庫(kù)侖阻塞機(jī)理控制一個(gè)或幾個(gè)電子運(yùn)動(dòng)，由于系統(tǒng)能量的改變和庫(kù)侖作用，一個(gè)電子進(jìn)入到一個(gè)勢(shì)阱，則將阻止其它電子的進(jìn)入。在單電子存儲(chǔ)器中量子阱替代了通常存儲(chǔ)器中的浮柵。它的主要優(yōu)點(diǎn)是集成度高；由于只有一個(gè)或幾個(gè)電子活動(dòng)所以功耗極低；由于相對(duì)小的電容和電阻以及短的隧道穿透時(shí)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(wèn)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(duì)環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時(shí)要求電容極小（αF），要求量子點(diǎn)大小在幾個(gè)納米。這些都為集成成電路帶來(lái)了很大困難。
因此，目前可以認(rèn)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(xué)。這里包括量子點(diǎn)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(diǎn)陣列由量子點(diǎn)組成，至少由四個(gè)量子點(diǎn),它們之間以靜電力作用。根據(jù)電子占據(jù)量子點(diǎn)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(wú)線的方式達(dá)到陣列的高密度、低功耗和實(shí)現(xiàn)互連。其基本優(yōu)勢(shì)是開(kāi)關(guān)速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對(duì)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(lái)快速發(fā)展的一個(gè)有前景的領(lǐng)域。碳原子之間的鍵合力很強(qiáng)，可支持高密度電流，而熱導(dǎo)性能類(lèi)似于金剛石，能在高集成度時(shí)大大減小熱耗散，性質(zhì)類(lèi)金屬和半導(dǎo)體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而Ge、Si只有一個(gè)。這些都使碳納米管（CNT）成為當(dāng)前科研熱點(diǎn)，從1991年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，現(xiàn)在已有大量成果涌現(xiàn)，北京大學(xué)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(wèn)題是如何去生長(zhǎng)有序的符合設(shè)計(jì)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(duì)于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會(huì)帶來(lái)突破性的進(jìn)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(kāi)實(shí)際應(yīng)用還需較長(zhǎng)時(shí)日！但這終究是一個(gè)誘人探索的領(lǐng)域，我們期待它們將創(chuàng)出一個(gè)新的天地。
4系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip）是21世紀(jì)微電子技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)
在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路設(shè)計(jì)都從器件的物理版圖設(shè)計(jì)入手，后來(lái)出現(xiàn)了集成電路單元庫(kù)（Cell－Lib），使得集成電路設(shè)計(jì)從器件級(jí)進(jìn)入邏輯級(jí)，這樣的設(shè)計(jì)思路使大批電路和邏輯設(shè)計(jì)師可以直接參與集成電路設(shè)計(jì)，極大地推動(dòng)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(jī)系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC芯片是通過(guò)印刷電路板（PCB）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)整機(jī)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(shí)、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機(jī)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(dòng)化的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)電路的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求。同時(shí)，由于IC設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)水平提高，集成電路規(guī)模越來(lái)越大，復(fù)雜程度越來(lái)越高，已經(jīng)可以將整個(gè)系統(tǒng)集成為一個(gè)芯片。目前已經(jīng)可以在一個(gè)芯片上集成108－109個(gè)晶體管，而且隨著微電子制造技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的微電子技術(shù)將從目前的3G時(shí)代逐步發(fā)展到3T時(shí)代（即存儲(chǔ)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(dòng)的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，簡(jiǎn)稱(chēng)SOC）概念。
系統(tǒng)芯片（SOC）與集成電路（IC）的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，它和集成電路的關(guān)系與當(dāng)時(shí)集成電路與分立元器件的關(guān)系類(lèi)似，它對(duì)微電子技術(shù)的推動(dòng)作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來(lái)的集成電路技術(shù)。
SOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)，在單個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，它的設(shè)計(jì)必須是從系統(tǒng)行為級(jí)開(kāi)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(jì)能夠綜合并全盤(pán)考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。例如若采用SOC方法和0．35μm工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當(dāng)于采用0．18～0.25μm工藝制作的IC所實(shí)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(jì)的芯片相比,采用SOC設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)。
對(duì)于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個(gè)關(guān)鍵的支持技術(shù)。
（1）軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(kù)問(wèn)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(jì)；和硬核，基于工藝的物理設(shè)計(jì)、與工藝相關(guān)，并經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證過(guò)的。其中以硬核使用價(jià)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(guò)優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價(jià)值。現(xiàn)在,美國(guó)硅谷在80年代出現(xiàn)無(wú)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(wú)芯片（Chipless）的公司,專(zhuān)門(mén)銷(xiāo)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(shí)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(shí)也是信息技術(shù)新發(fā)展的里程碑。通過(guò)以上三個(gè)支持技術(shù)的創(chuàng)新,它必將導(dǎo)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(jì)將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時(shí)期。
在新一代系統(tǒng)芯片領(lǐng)域，需要重點(diǎn)突破的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法和電路結(jié)構(gòu)兩個(gè)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(huì)引起一場(chǎng)變革，例如維特比算法、小波變換等均對(duì)集成電路設(shè)計(jì)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(dòng)一系列的應(yīng)用,但提出一種新的算法則可以帶動(dòng)一個(gè)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(diǎn)學(xué)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(chǔ)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(shí)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(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)
微電子技術(shù)的強(qiáng)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(xué)科相結(jié)合,便會(huì)誕生出一系列嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，這方面的典型例子便是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)和DNA生物芯片。前者是微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)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(jī)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(jī)械加工技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)了微電子與機(jī)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(lái)，它不僅可以感受運(yùn)動(dòng)、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號(hào)，把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認(rèn)識(shí)的電信號(hào)，而且還可以通過(guò)電子系統(tǒng)控制這些信號(hào)，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(hào)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(jī)電系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)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(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等〖3〗。
MEMS的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)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(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),因而MEMS在航空、航天、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)、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(cè)量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車(chē)自動(dòng)駕駛、汽車(chē)防撞氣囊、汽車(chē)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(jìn)、傷員救護(hù)；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(chǔ)器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時(shí)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?shī)A起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子，可以在磁場(chǎng)中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等。
MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長(zhǎng)速度非常之高，目前正處在技術(shù)發(fā)展時(shí)期，再過(guò)若干年將會(huì)迎來(lái)MEMS產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的時(shí)期。2000年，全世界MEMS的市場(chǎng)達(dá)到120到140億美元，而帶來(lái)的與之相關(guān)的市場(chǎng)達(dá)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(lái)是很簡(jiǎn)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(jìn)行大量投資，促進(jìn)了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術(shù)的進(jìn)步,加快了計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的速度，對(duì)CPU和RAM的需求越來(lái)越大,反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了集成電路的發(fā)展。集成電路和計(jì)算機(jī)在發(fā)展中相互推動(dòng)，形成了今天的雙贏局面，帶來(lái)了一場(chǎng)信息革命。現(xiàn)階段的微機(jī)電系統(tǒng)專(zhuān)用性很強(qiáng)，單個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常有限,還沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似于CPU和RAM這樣量大面廣的產(chǎn)品。隨著微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)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(duì)人們的社會(huì)生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生重大影響。
當(dāng)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(jìn)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(jì)制造出所需的微系統(tǒng)；第二是找準(zhǔn)應(yīng)用突破口，揚(yáng)長(zhǎng)避短，以特別適合微系統(tǒng)應(yīng)用的重大領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行研究,取得突破，從而帶動(dòng)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(wèn)題主要有：MEMS建模與設(shè)計(jì)方法學(xué)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(xué)和熱學(xué)研究；MEMS的表征與計(jì)量方法學(xué)；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(jì)微電子領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細(xì)胞等的特點(diǎn)和功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行加工生產(chǎn)，它是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)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(diǎn)，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(dá)萬(wàn)種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無(wú)疑對(duì)遺傳學(xué)研究、疾病診斷、疾病治療和預(yù)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(guò)生物反應(yīng)或施加電場(chǎng)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(cè)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(guò)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(xué)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(xué)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(xué)和環(huán)境保護(hù)等人類(lèi)生活的各個(gè)方面，那時(shí)，生物芯片有可能象今天的IC芯片一樣無(wú)處不在。
目前的生物芯片主要是指通過(guò)平面微細(xì)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(shí)現(xiàn)對(duì)化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞以及其它生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的篩選或檢測(cè)。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)、基于生物芯片的生物信息學(xué)以及高密度生物芯片的設(shè)計(jì)、檢測(cè)方法學(xué)等等。
6結(jié)語(yǔ)
在微電子學(xué)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(xué)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(jì)后50年，展望21世紀(jì)前50年，即百年的微電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程，使我們深切地感受到，世紀(jì)之交的微電子技術(shù)對(duì)我們既是一個(gè)重大的機(jī)遇，也是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如果我們能夠抓住這個(gè)機(jī)遇，立足創(chuàng)新，去勇敢地迎接這個(gè)挑戰(zhàn)，則有可能使我國(guó)微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)騰飛，在新一代微電子技術(shù)中擁有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)我國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為迎接21世紀(jì)中葉將要到來(lái)的偉大的民族復(fù)興奠定技術(shù)基礎(chǔ)，以重鑄中華民族的輝煌！
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【關(guān)鍵詞】競(jìng)賽；集成電路；教學(xué)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(huì)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(jì)一體化的發(fā)展，集成電路的制造與開(kāi)發(fā)中心正逐步向我國(guó)轉(zhuǎn)移。我們肩負(fù)重大的歷史使命，是要把我國(guó)建設(shè)成為集成電路的生產(chǎn)大國(guó)進(jìn)而成為集成電路強(qiáng)國(guó)[1]。因此培養(yǎng)二十一世紀(jì)集成電路設(shè)計(jì)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(kāi)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(jì)生產(chǎn)服務(wù)，為培養(yǎng)集成電路設(shè)計(jì)人才提供了很好的軟件平臺(tái)。北京市2011首屆“華大九天杯”大學(xué)生集成電路大賽以充分調(diào)動(dòng)各方面的參與積極性。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，競(jìng)賽為他們提供了一個(gè)開(kāi)闊眼界、互相學(xué)習(xí)和交流的好機(jī)會(huì)，這是任何課堂教學(xué)都無(wú)法替代的；對(duì)指導(dǎo)老師來(lái)說(shuō)，競(jìng)賽可以促進(jìn)他們轉(zhuǎn)變陳舊的教學(xué)理念，改進(jìn)落后的課程體系，積極尋求新的教學(xué)模式，真正做到教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法與時(shí)俱進(jìn)，切實(shí)達(dá)到面向應(yīng)用、面向市場(chǎng)、面向社會(huì)并最終為社會(huì)提供優(yōu)秀專(zhuān)業(yè)人才的最高教學(xué)目標(biāo)[2]。實(shí)踐表明，開(kāi)展大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)競(jìng)賽，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)集成電路人才培養(yǎng)、推進(jìn)素質(zhì)教育、理論實(shí)踐結(jié)合能力、解決問(wèn)題的能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和培養(yǎng)學(xué)生的集體榮譽(yù)感等方面具有重要意義，同時(shí)也對(duì)高校的集成電路設(shè)計(jì)課程和實(shí)踐教學(xué)改革起了一定的引導(dǎo)作用，極大的強(qiáng)化了學(xué)生繪制版圖和電路設(shè)計(jì)能力。本人有幸?guī)ьI(lǐng)學(xué)生參加了此次比賽，獲得了一些啟示。
1.立足現(xiàn)實(shí)，拓寬應(yīng)用
本次大賽的活動(dòng)宗旨是豐富微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立思考和操作能力，鞏固和加深所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，推動(dòng)京津地區(qū)高校微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的交流和發(fā)展，并對(duì)國(guó)產(chǎn)正版EDA軟件的普及和應(yīng)用起到積極推動(dòng)作用。
2011年北京大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽分成大學(xué)本科和研究生兩個(gè)級(jí)別（本科生組33個(gè)組；研究生33個(gè)組），每組3人，進(jìn)行筆試和上機(jī)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(duì)員獨(dú)立完成，最終成績(jī)計(jì)入小組總分；上機(jī)操作，以小組形式參加。
2.正確的指導(dǎo)思想
電子學(xué)會(huì)組織的此次大學(xué)生集成電路大賽立足高，緊密結(jié)合教學(xué)實(shí)際，著重基礎(chǔ)、注重培養(yǎng)實(shí)踐能力的原則為大賽成功舉行樹(shù)立了正確的指導(dǎo)思想。
“華大九天杯”集成電路大賽凝聚了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)家、學(xué)者和我校學(xué)科部領(lǐng)導(dǎo)、老師及每個(gè)參賽隊(duì)員的心血與汗水。在比賽的前后，我們的指導(dǎo)思想是：參賽獲獎(jiǎng)不是最終目的，深人持久地開(kāi)展教育教學(xué)改革，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，吸引更多的學(xué)生參加各類(lèi)競(jìng)賽和科技活動(dòng)，培養(yǎng)更多的優(yōu)秀專(zhuān)業(yè)人才，才是我們的努力方向。集成電路大賽引來(lái)了眾多企業(yè)，他們對(duì)參賽學(xué)生的青睞，對(duì)于與學(xué)校合作的重視，也正是我們學(xué)校所渴求的。在參賽中與同行各企業(yè)充分交流，學(xué)校與企業(yè)的緊密結(jié)合，才能更清楚市場(chǎng)對(duì)優(yōu)秀畢業(yè)生的要求，進(jìn)而能明確培養(yǎng)目標(biāo)，并在平時(shí)的課程教學(xué)中加以滲透，在教學(xué)中不斷改進(jìn)；在參賽中與其他兄弟院校充分分享經(jīng)驗(yàn)，不斷學(xué)習(xí)別人的長(zhǎng)處，分析參賽中暴露的共性問(wèn)題，在教育教學(xué)中不斷改進(jìn)；在參賽中提高教師的指導(dǎo)水平和改進(jìn)教育教學(xué)方法；在參賽中提高學(xué)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(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高、具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)應(yīng)用型人才，才是我們參加北京大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)競(jìng)賽的最終目的。
3.準(zhǔn)備認(rèn)真，重在過(guò)程
承辦方北方工業(yè)大學(xué)周密的準(zhǔn)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(xué)和華大九天公司組織的集訓(xùn)為成功參賽奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
在學(xué)科部領(lǐng)導(dǎo)和各位老師的努力下，在實(shí)驗(yàn)室老師的大力協(xié)助下，在華大九天公司培訓(xùn)人員的大力支持下，我們組織了兩個(gè)階段的集中培訓(xùn)，并在培訓(xùn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了有針對(duì)性的輔導(dǎo)練習(xí)，并在參賽前舉行了預(yù)賽。這些環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生和老師起到了很好的引導(dǎo)和督促作用，保證了良好的訓(xùn)練環(huán)境，營(yíng)造了積極向上的參賽氛圍。
在電子競(jìng)賽的準(zhǔn)備過(guò)程中，適逢暑假，假期長(zhǎng)，學(xué)生們可以充分利用暑假時(shí)間認(rèn)真復(fù)習(xí)電子器件、數(shù)字電子電路、集成電路分析與設(shè)計(jì)等課程的理論知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生們還學(xué)習(xí)華大EDA軟件，進(jìn)行實(shí)際電路和版圖繪制上機(jī)練習(xí)，培養(yǎng)了理論聯(lián)系實(shí)踐的學(xué)風(fēng)。通過(guò)競(jìng)賽準(zhǔn)備，學(xué)生需要綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決競(jìng)賽中遇到的各種問(wèn)題，提高了運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)競(jìng)賽準(zhǔn)備，磨合了小組間的默契配合和分工，增進(jìn)了師生情誼，提高了團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)能力。通過(guò)競(jìng)賽準(zhǔn)備，找出了自己在知識(shí)上的不足，明確了社會(huì)的需要、工作崗位的需要和工作性質(zhì)，樹(shù)立了新的奮斗目標(biāo)，產(chǎn)生了學(xué)習(xí)新的動(dòng)力。
4.參賽對(duì)嵌入式系統(tǒng)和集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)改革的啟示
北京大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生參加實(shí)踐的積極性、理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)意識(shí)有著重要作用，競(jìng)賽給學(xué)生提供了一個(gè)施展才華、發(fā)揮創(chuàng)新能力的機(jī)會(huì)和平臺(tái)。并對(duì)高校集成電路設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容和電子科學(xué)與技術(shù)的課程體系改革和學(xué)生今后工作起到一定的引導(dǎo)作用。
4.1 知識(shí)整合的系統(tǒng)教學(xué)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(yù)測(cè)飛速發(fā)展。面對(duì)集成電路如此迅猛的發(fā)展形勢(shì)，教學(xué)工作也要與時(shí)俱進(jìn)，不斷改革創(chuàng)新。我承擔(dān)《嵌入式系統(tǒng)》和《集成電路分析與設(shè)計(jì)》課程，深深體會(huì)到微電子專(zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)與其他專(zhuān)業(yè)有所區(qū)別，因?yàn)樾酒脑O(shè)計(jì)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(xué)生不僅需要有系統(tǒng)的概念[4]，同時(shí)需要對(duì)典型處理器體系結(jié)構(gòu)有清晰的理解，在設(shè)計(jì)SOC芯片時(shí)才會(huì)有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想[5]，又會(huì)對(duì)處理器內(nèi)部體系架構(gòu)有清晰的概念。因此，在對(duì)微電子專(zhuān)業(yè)的學(xué)生講授嵌入式系統(tǒng)時(shí)，要緊密結(jié)合集成電路設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合集成電路分析與設(shè)計(jì)、數(shù)字電子、模擬電子、電子器件等課程的內(nèi)容，使學(xué)生不僅對(duì)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(xué)生系統(tǒng)的概念，掌握外部單元電路，如存儲(chǔ)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(lái)進(jìn)行芯片的設(shè)計(jì)，既是使用者，又是設(shè)計(jì)者。學(xué)生在學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計(jì)的課程時(shí)，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(jì)概念，整合學(xué)生對(duì)各個(gè)課程的分離的知識(shí)內(nèi)容，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決系統(tǒng)問(wèn)題。通過(guò)增加實(shí)驗(yàn)和上機(jī)課時(shí)，提高學(xué)生將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
4.2 改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式
我國(guó)的大學(xué)課堂教學(xué)模式長(zhǎng)期以來(lái)被德國(guó)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(biāo)下，他們所倡導(dǎo)的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)和施教程序越來(lái)越明顯地暴露出它的弊端，最突出的是“以教代學(xué)”的陳腐教學(xué)思想和“注入式”、“滿(mǎn)堂灌”的落后教學(xué)方法.這種“以教師為中心，以教材為中心”的課堂教學(xué)，決定了學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中所處的被動(dòng)地位，很大程度地禁錮了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，對(duì)學(xué)生自學(xué)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)構(gòu)成了嚴(yán)重的障礙[2]。
現(xiàn)代教育理論指出：指導(dǎo)學(xué)生從實(shí)踐和探索中通過(guò)思考獲取知識(shí)，又在解決問(wèn)題的探索活動(dòng)中，運(yùn)用已獲得的知識(shí)和技能是培養(yǎng)智能的最好途徑。
本次競(jìng)賽上午閉卷完成理論知識(shí)的考試。本科生的上機(jī)操作內(nèi)容是根據(jù)提供的狀態(tài)圖設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器電路，然后進(jìn)行原理圖的繪制，再次進(jìn)行版圖繪制，進(jìn)而進(jìn)行DRC、LVS等環(huán)節(jié)驗(yàn)證，并撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。學(xué)生需要利用數(shù)字電路中所學(xué)的狀態(tài)表，構(gòu)造出邏輯關(guān)系式，運(yùn)用卡諾圖化簡(jiǎn)得到最簡(jiǎn)電路，最后再繪制單元電路，設(shè)計(jì)出具體的CMOS電路和版圖，并進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)還需要構(gòu)造出計(jì)數(shù)器所需的時(shí)鐘電路。在上機(jī)的開(kāi)始一個(gè)半小時(shí)中，指導(dǎo)老師可以參與指導(dǎo)，這樣增加了比賽中老師對(duì)學(xué)生的限時(shí)指導(dǎo)內(nèi)容，更有利于學(xué)生的競(jìng)賽，符合培養(yǎng)人才的現(xiàn)論要求。
學(xué)生基本上完成了從需求分析、電路設(shè)計(jì)、繪制電路、（仿真）、版圖繪制、驗(yàn)證到撰寫(xiě)報(bào)告等環(huán)節(jié)。通過(guò)競(jìng)賽，使學(xué)生能親自感受一個(gè)簡(jiǎn)單的集成電路設(shè)計(jì)流程，培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念。學(xué)生從早晨9點(diǎn)一直進(jìn)行到下午六點(diǎn)，在短短的一天內(nèi)要完成筆試和7個(gè)小時(shí)的上機(jī)電路繪制和驗(yàn)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(shì)，保持堅(jiān)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(xué)生的合作精神和團(tuán)隊(duì)精神，鍛煉了學(xué)生的毅力和體力。
施教之功，貴在引導(dǎo)。可以看出，競(jìng)賽在很大程度上符合現(xiàn)代教育理論的要求，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式正是以傳授知識(shí)為前提，以形成技能為基點(diǎn)，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(jì)》課程教學(xué)中，增大課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生帶著問(wèn)題，進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)行思考、小組討論，經(jīng)老師點(diǎn)撥，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用所學(xué)理論解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，既培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，又完成了教學(xué)任務(wù)，符合現(xiàn)代教育論的要求。
施教之旨，在于培養(yǎng)學(xué)習(xí)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(xué)生分成小組，布置某一命題，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，引導(dǎo)他們查閱資料，分析歸納總結(jié)，并在課堂中進(jìn)行報(bào)告或?qū)嶒?yàn)演示。學(xué)生反映效果很好，獲取了知識(shí)，又培養(yǎng)了學(xué)生自學(xué)能力和主動(dòng)獲取知識(shí)的方法。
5.引導(dǎo)學(xué)生參與科研，撰寫(xiě)學(xué)術(shù)論文
通過(guò)大賽引導(dǎo)大學(xué)生形成一股扎扎實(shí)實(shí)的學(xué)習(xí)和研究的風(fēng)氣。激發(fā)學(xué)生在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣，參與到老師平時(shí)的科研中，增加動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。并在科研中進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣，形成良性循環(huán)。對(duì)于取得的研究成果，可以引導(dǎo)學(xué)生撰寫(xiě)論文，并能在廣大同學(xué)中起到表率作用。
6.結(jié)束語(yǔ)
培養(yǎng)二十一世紀(jì)集成電路設(shè)計(jì)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(xué)生集成電路大賽以充分調(diào)動(dòng)各方面的參與積極性。正確的指導(dǎo)思想、科學(xué)的組織程序、踏實(shí)認(rèn)真的準(zhǔn)備工作以及大賽對(duì)校企合作、對(duì)教學(xué)改革將產(chǎn)生重要的影響。實(shí)踐表明，開(kāi)展大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)競(jìng)賽，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)集成電路人才培養(yǎng)、推進(jìn)素質(zhì)教育、理論實(shí)踐結(jié)合能力、解決問(wèn)題的能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和培養(yǎng)學(xué)生的集體榮譽(yù)感等方面具有重要意義，同時(shí)也對(duì)高校的集成電路設(shè)計(jì)課程和實(shí)踐教學(xué)改革起一定的引導(dǎo)作用，極大的強(qiáng)化了學(xué)生繪制版圖、電路設(shè)計(jì)能力和集成電路設(shè)計(jì)思想。
參考文獻(xiàn)
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[5]Xiumin Shi,Ji Zhang,Yanbing Ju.Research and Practice in Undergraduate Embedded System Course[C].The 9th International Conference for Young Computer Scientists,
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致謝：競(jìng)賽工作是由國(guó)家自然基金贊助（No.60976028）；北京工業(yè)大學(xué)博士基金贊助（No.X0002014201101，No.X0002012200802 and No.X00020
如果單個(gè)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(shí)還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩裕⒃诹孔恿W(xué)的一些基本問(wèn)題研究方面有非常重要的應(yīng)用。（來(lái)源：《科技日?qǐng)?bào)》2013年10月12日）
美國(guó)發(fā)明生化電子人
據(jù)美國(guó)媒體13日?qǐng)?bào)道，一批美國(guó)工程師利用人造器官、肢體和其它身體組織，成功組裝出會(huì)呼吸、說(shuō)話和走路的逼真生化電子人（bionic man），11月11日在紐約國(guó)際動(dòng)漫展公開(kāi)亮相。
將播出紀(jì)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(yùn)作的機(jī)器人。
主持這項(xiàng)計(jì)劃的影子機(jī)器人公司主管沃爾克說(shuō)，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(xué)已有多大的進(jìn)展。
他說(shuō)，這具機(jī)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(jī)協(xié)助下，走動(dòng)、坐下和站立。它配置的人工心臟，能夠利用電子工具跳動(dòng)和促成人造血液循環(huán)，像人類(lèi)一樣輸送氧氣。它也用植入式人工腎臟，取代現(xiàn)代洗腎機(jī)。（來(lái)源：中新網(wǎng)2013年10月14日）
科學(xué)家用3D打印機(jī)制造終結(jié)者機(jī)械手臂
據(jù)英國(guó)新科學(xué)家雜志報(bào)道，它看上去如同科幻電影道具，事實(shí)上是未來(lái)新款人體假肢。目前，3D打印機(jī)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(xì)地掌握其如何運(yùn)行，這種精致的3D打印假肢就是一個(gè)典型的例子，它在倫敦科學(xué)博物館3D打印展覽會(huì)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(guó)諾丁漢大學(xué)附加制造和3D打印研究學(xué)會(huì)主管理查德·海格設(shè)計(jì)的，他和學(xué)生們展示了3D打印機(jī)如何制造這種結(jié)實(shí)的假肢，以及可移動(dòng)關(guān)節(jié)和微妙傳感器——類(lèi)似螺旋形狀的金屬觸摸傳感器。（來(lái)源：英國(guó)《新科學(xué)家》2013年10期）
美國(guó)可控核聚變實(shí)驗(yàn)取得里程碑意義的突破
美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)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(diǎn)燃核聚變反應(yīng)。
據(jù)報(bào)道，在9月末進(jìn)行的一次聚變實(shí)驗(yàn)中，聚變反應(yīng)釋放出的能量超過(guò)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(gè)世紀(jì)以來(lái)，可控核聚變研究經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的挫折，最新的突破將能進(jìn)一步推動(dòng)聚變能量的研究。（來(lái)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(guó)每日郵報(bào)報(bào)道，目前，俄羅斯科學(xué)家稱(chēng)，生長(zhǎng)在西伯利亞的一種蘑菇可用于治療艾滋病。
生長(zhǎng)在樺樹(shù)上的樺褐孔菌蘑菇引起科學(xué)家的關(guān)注，有望用于進(jìn)一步科學(xué)研究。新西伯利亞市維克多學(xué)會(huì)科學(xué)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(dú)特功效。研究結(jié)果顯示這種蘑菇具有低毒性和較強(qiáng)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(xué)家認(rèn)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(gè)世紀(jì)以來(lái)，西伯利亞當(dāng)?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(lái)源：英國(guó)每日郵報(bào)2013年9月20日）
生命之熵
當(dāng)我們看到一個(gè)物體時(shí)，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(shí)，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(duì)你來(lái)說(shuō)沒(méi)什么難度。
那么，必須依賴(lài)宿主才能存活和增殖的病毒是不是生物呢？面對(duì)智力與動(dòng)作越來(lái)越接近人類(lèi)的高智能機(jī)器人，你是否感覺(jué)到它們也擁有鮮活的生命性質(zhì)呢？如今，科學(xué)家已經(jīng)成功培育出了iPS細(xì)胞（誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞）。在不久的將來(lái)，也許利用一個(gè)體細(xì)胞就能培育出一個(gè)嶄新的生命體。（來(lái)源：《科學(xué)世界》2013年10期）
半浮柵晶體管將引發(fā)芯片革命
上海復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院張衛(wèi)教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，成功研制出半浮柵晶體管，有望讓電子芯片的性能實(shí)現(xiàn)突破性提升。該成果發(fā)表在今年8月9日的《科學(xué)》雜志上，這也是我國(guó)科學(xué)家在《科學(xué)》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(tuán)隊(duì)嘗試把一個(gè)TFET和浮柵器件結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成了一種全新的“半浮柵”結(jié)構(gòu)的器件，稱(chēng)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(guò)高勢(shì)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(guò)低勢(shì)壘（1.1 電子伏特）的硅材料，隧穿勢(shì)壘大大降低。（來(lái)源：《環(huán)球科學(xué)》2013年第10期）
勘驗(yàn)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(jì)劃將這種變化具象地呈現(xiàn)出來(lái)：通過(guò)近百萬(wàn)張用延時(shí)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(wú)可爭(zhēng)議、令人扼腕的證據(jù)，證明古老的冰川確實(shí)正在消失。詹姆斯·巴洛格于2007年開(kāi)始這項(xiàng)計(jì)劃，當(dāng)時(shí)設(shè)想其過(guò)程可能會(huì)持續(xù)兩年。他們?cè)诟窳晏m島、冰島、美國(guó)阿拉斯加州、阿爾卑斯山和落基山的冰川旁布下25臺(tái)太陽(yáng)能相機(jī)。詹姆斯·巴洛格從未料到能夠在這么短的時(shí)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(rèn)識(shí)到，氣候變化確實(shí)正在發(fā)生。（來(lái)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(chē)顏色
關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體器件物理 應(yīng)用型本科院校 課程改革
中圖分類(lèi)號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(gè)半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管發(fā)明以來(lái)，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(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)的硅文明時(shí)代。由于微電子技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)提出了新的要求。①《半導(dǎo)體器件物理》是微電子學(xué)及電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，討論半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、基本工作原理、電學(xué)特性、器件的特殊效應(yīng)以及器件的基本分析方法。通過(guò)該課程學(xué)習(xí)，可為學(xué)生后續(xù)專(zhuān)業(yè)課如《集成電路設(shè)計(jì)》以及《集成電路工藝》等的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)本專(zhuān)業(yè)其他專(zhuān)業(yè)課程以及從事IC設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。
1 教學(xué)中遇到的問(wèn)題
半導(dǎo)體器件物理特點(diǎn)為理論性強(qiáng)、枯燥、晦澀難懂，而且要求學(xué)生對(duì)前期知識(shí)尤其是對(duì)半導(dǎo)體物理基本知識(shí)熟練掌握。對(duì)于應(yīng)用型本科院校來(lái)說(shuō)，學(xué)生基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，自學(xué)能力也相對(duì)不足。因此使得教學(xué)過(guò)程中教師“教”與學(xué)生“學(xué)”之間不能實(shí)現(xiàn)良好的銜接。在教授基本理論的同時(shí)應(yīng)該更重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學(xué)理念以教師講課為主，實(shí)行的是“填鴨式”的灌輸教育，教學(xué)手段單一僵化，完全無(wú)視學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和個(gè)體特點(diǎn)，加上大部分學(xué)生對(duì)理論性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課熱情不足，很難取得預(yù)想的教學(xué)效果。現(xiàn)代半導(dǎo)體器件發(fā)展迅速，但是半導(dǎo)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(dòng)態(tài)，也很難引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。鑒于此，有必要對(duì)半導(dǎo)體器件物理課程進(jìn)行改革。
2 半導(dǎo)體器件物理教學(xué)改革初探
2.1 教師的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備
現(xiàn)代高校教師應(yīng)該具有“基礎(chǔ)精深，專(zhuān)業(yè)寬新”的教學(xué)理念，即要求教師對(duì)該課程及相關(guān)課程有深厚的知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)該課程的理論體系有系統(tǒng)的掌握。同時(shí)對(duì)與該課程相關(guān)的科技前沿有足夠的了解和認(rèn)識(shí)，并且對(duì)學(xué)生先期的知識(shí)儲(chǔ)備情況有充分的了解。能根據(jù)學(xué)生的具體情況對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行處理。在基本理論的講解上要詳細(xì)透徹，對(duì)重難點(diǎn)反復(fù)講解。例如能帶在整個(gè)半導(dǎo)體器件中的作用非常重要，這就要求學(xué)生能夠熟練掌握各個(gè)半導(dǎo)體器件的能帶圖。因此，在半導(dǎo)體器件的各個(gè)章節(jié)都重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)能帶的作用。并且把每種器件的能帶圖作為重點(diǎn)內(nèi)容反復(fù)強(qiáng)調(diào)。在專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，更應(yīng)在理論知識(shí)夠用的前提下，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生對(duì)于本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、廣闊的知識(shí)面和較強(qiáng)的實(shí)踐能力。為了增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,在緒論部分可以增加對(duì)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(guò)程。并融入一些科學(xué)研究方法，同時(shí)在課程教學(xué)中可以穿插介紹一些科學(xué)家的軼聞趣事，以知識(shí)性和趣味性增加學(xué)生對(duì)本課程歷史的認(rèn)識(shí)、對(duì)半導(dǎo)體器件的感性和理性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生對(duì)本課程學(xué)習(xí)的興趣。②
2.2 引入多媒體教學(xué)開(kāi)發(fā)教學(xué)動(dòng)畫(huà)課件
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)已成為現(xiàn)在學(xué)校必不可少的教學(xué)手段。比起以往的黑板粉筆教學(xué)有著獨(dú)特的效果，多媒體教學(xué)可以形象直觀地把所講內(nèi)容展現(xiàn)給每一個(gè)學(xué)生，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。因此，運(yùn)用多媒體技術(shù)上課是大勢(shì)所趨。上課過(guò)程中可以播放一些和教材內(nèi)容相關(guān)的視頻講座來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以讓學(xué)生了（下轉(zhuǎn)第218頁(yè)）（上接第209頁(yè)）解最新的科技前沿。
半導(dǎo)體器件內(nèi)部機(jī)制變化非常抽象復(fù)雜，利用Flas可以形象直觀地把這些抽象的變化過(guò)程反映出來(lái)。③將抽象理論知識(shí)動(dòng)起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深刻理解。例如制作PN結(jié)的形成過(guò)程、PN結(jié)能帶形成的動(dòng)畫(huà)、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(qiáng)反型等形成的動(dòng)畫(huà)等。能使學(xué)生在視覺(jué)上直觀感受其物理過(guò)程所發(fā)生的變化，還能進(jìn)一步加深對(duì)該過(guò)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(shí)，結(jié)合自己的科研成果，把當(dāng)前最新的科學(xué)技術(shù)成果介紹給學(xué)生，還可以就某一學(xué)生感興趣的課題進(jìn)行討論。同時(shí)介紹科技論文的查閱方式和方法，讓學(xué)生課外通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等各種渠道獲取一些新近發(fā)展?fàn)顩r。專(zhuān)門(mén)安排討論課，讓學(xué)生對(duì)自己掌握的信息進(jìn)行交流討論。比如，在講解場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，可以讓學(xué)生查閱此類(lèi)半導(dǎo)體器件最新的技術(shù)、發(fā)展瓶頸和發(fā)展趨勢(shì)，并就此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行討論。在講授太陽(yáng)能電池時(shí)，可以讓學(xué)生收集日常生活中應(yīng)用較為廣泛的太陽(yáng)能電池實(shí)例，并就當(dāng)前的環(huán)境污染、能源危機(jī)等話題展開(kāi)討論，從而讓學(xué)生對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)有更深刻的認(rèn)識(shí)。在講授發(fā)光二極管時(shí)，可就當(dāng)前熱門(mén)的LED背光源電視與傳統(tǒng)的LCD電視比較，找出其特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)。但是要強(qiáng)調(diào)現(xiàn)在的LED背光源電視與真正的LED電視還有相當(dāng)大的差距，讓學(xué)生根據(jù)此類(lèi)問(wèn)題收集相關(guān)資料，并進(jìn)行討論。這樣的教學(xué)不但鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力，激發(fā)興趣，做到與時(shí)俱進(jìn)，還可以讓學(xué)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(shí)驗(yàn)課程
半導(dǎo)體器件物理是實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的課程。通過(guò)開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，可以讓學(xué)生自己動(dòng)手把所學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中來(lái)。同時(shí)還可以把一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)拓展為綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。例如四探針測(cè)量方塊電阻的同時(shí)讓學(xué)生自己結(jié)合所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算摻雜濃度，晶體管特性參數(shù)及曲線測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，為學(xué)生提供一些不合格的晶體管，讓學(xué)生自己判斷分析晶體管的缺陷。半導(dǎo)體器件仿真是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)中非常重要的組成部分，由于大三學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)MATLAB相關(guān)課程，因此可以開(kāi)設(shè)半導(dǎo)體器件仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己編寫(xiě)程序?qū)Ω鞣N器件進(jìn)行簡(jiǎn)單的仿真。雖然許多計(jì)算也可以借助另外的數(shù)學(xué)工具軟件來(lái)完成，但是從MATLAB應(yīng)用的廣泛程度而言， 熟練掌握MATLAB對(duì)學(xué)生的進(jìn)一步深造或就業(yè)等都將是非常有益的。這樣不僅驗(yàn)證理論知識(shí)，還拓展了課堂內(nèi)容。既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，還提高了學(xué)生的分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。
3 總結(jié)
半導(dǎo)體器件物理是微電子專(zhuān)業(yè)非常重要的課程，本文從課堂教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，針對(duì)目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足，結(jié)合應(yīng)用型本科院校學(xué)生特點(diǎn)，探索改革“半導(dǎo)體器件物理”課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性；并有效地多渠道、多方面使學(xué)生在課堂中獲得較好的學(xué)習(xí)效果，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，我們的探索取得了良好的教學(xué)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(xué)刊,2008(11):100-101.
信息科學(xué)資源開(kāi)發(fā)利用的前景
盡管信息科學(xué)的奧秘遲至本世紀(jì)才由控制論、信息科學(xué)論等現(xiàn)代科學(xué)所揭示，但人類(lèi)卻一直生活在信息科學(xué)的海洋中。最近，筆者根據(jù)資料，把人在利用信息科學(xué)方面的幾個(gè)重要?dú)v史時(shí)期整理成如下表格。表格說(shuō)明，人類(lèi)長(zhǎng)期以來(lái)，一直在致力于發(fā)展收集、處理和傳輸信息科學(xué)的能力，以便快速、有效地利用信息科學(xué)資源。信息科學(xué)資源的發(fā)展?fàn)顩r是不同尋常的，專(zhuān)家學(xué)者們把它的迅速增長(zhǎng)，稱(chēng)為“爆炸性增長(zhǎng)”。他們指出，信息科學(xué)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(fèi)越增長(zhǎng)。日新月異的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和層出不窮的技術(shù)發(fā)明。是新知識(shí)、新信息科學(xué)不斷增加和出現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)的主要原因。自1750年以來(lái)，科學(xué)知識(shí)約50年增加10倍，為世界人口增長(zhǎng)速度的2.5倍。有人作過(guò)如下統(tǒng)計(jì)：到七十年代初為止，世界每年出版的科技圖書(shū)達(dá)50萬(wàn)種，科技雜志4萬(wàn)多種，科技論文多達(dá)300萬(wàn)篇，此外還有大量的文集、研究報(bào)告、專(zhuān)刊文獻(xiàn)等其他信息科學(xué)。在出現(xiàn)新技術(shù)革命以后的三十年中，新增加的知識(shí)和信息科學(xué)、占人類(lèi)全部知識(shí)信息科學(xué)的90%。在利用信息科學(xué)資源方面，人類(lèi)已經(jīng)通過(guò)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、尤其是現(xiàn)代科學(xué)中的信息科學(xué)論、控制論、系統(tǒng)論等學(xué)科的誕生，使人類(lèi)認(rèn)識(shí)到信息科學(xué)是自然界的第三大資源，懂得了信息科學(xué)的巨大功能和價(jià)值。信息科學(xué)作為生產(chǎn)力、競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)成就的關(guān)鍵，也已日益為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展所證實(shí)。在這種情況下，人類(lèi)迅速提高了利用信息科學(xué)資源的自覺(jué)性。這種自覺(jué)性，正是人類(lèi)發(fā)展信息科學(xué)技術(shù)、提高利用信息科學(xué)資源能力的強(qiáng)大動(dòng)力。在新的技術(shù)革命中，計(jì)算機(jī)、微電子、現(xiàn)代通信等信息科學(xué)處理和傳遞技術(shù)正在突飛猛進(jìn)，信息科學(xué)革命已成為新技術(shù)革命的主要標(biāo)志。從七十年代開(kāi)始的第一次信息科學(xué)革命和八十年代開(kāi)始的第二次信息科學(xué)革命，都是人類(lèi)為提高利用信息科學(xué)資源的能力而作的努力。經(jīng)過(guò)這兩次信息科學(xué)革命，信息科學(xué)化已經(jīng)由點(diǎn)發(fā)展到面，出現(xiàn)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代通信相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)信息科學(xué)化和系統(tǒng)信息科學(xué)化。這樣，就使信息科學(xué)資源可以更迅速、更有效、更準(zhǔn)確地為人類(lèi)所利用。根據(jù)上面的分析，我們可以對(duì)信息科學(xué)資源利用的誘人前景，作出如下預(yù)測(cè)性的描述：首先，在未來(lái)的技術(shù)革命和世界新的產(chǎn)業(yè)革命中，可以開(kāi)發(fā)利用的信息科學(xué)資源將急劇增加，繼續(xù)呈現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)，信息科學(xué)資源將在未來(lái)的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(xué)革命繼續(xù)向縱深發(fā)展，利用信息科學(xué)資源的處理和傳遞技術(shù)，將對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，如果一個(gè)國(guó)家信息科學(xué)技術(shù)落后，那么它必將在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面拉開(kāi)和發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。第三，由于開(kāi)發(fā)利用信息科學(xué)資源的需要，信息科學(xué)科學(xué)技術(shù)必將得到迅速的發(fā)展。以信息科學(xué)為中心的新研究群和新知識(shí)群正在崛起。新的研究群和知識(shí)群將由信息科學(xué)科學(xué)、微電子學(xué)、信息科學(xué)處理、信息科學(xué)通信、系統(tǒng)論、決策論、信息科學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)、信息科學(xué)通訊未來(lái)研究、信息科學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)、知識(shí)社會(huì)學(xué)、信息科學(xué)法學(xué)、信息科學(xué)管理等知識(shí)門(mén)類(lèi)組成。第四，由于信息科學(xué)資源的重要性日益增強(qiáng)和信息科學(xué)化社會(huì)的形成，社會(huì)將有更多的人去研究信息科學(xué)資源開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題和從事信息科學(xué)資源開(kāi)發(fā)利用的實(shí)際工作。
未來(lái)的決策和信息科學(xué)決策學(xué)
信息科學(xué)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(shuō)，沒(méi)有信息科學(xué)的決策實(shí)際上是不存在的。
在未來(lái)研究專(zhuān)家們看來(lái)，任何決策除了必須以有關(guān)決策對(duì)象的過(guò)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(duì)象發(fā)展趨勢(shì)的未來(lái)信息科學(xué)。這樣做的理由很簡(jiǎn)單，因?yàn)槿魏螞Q策都是面向未來(lái)的，都是籌劃未來(lái)的行動(dòng)目標(biāo)和行動(dòng)的方案的。從這個(gè)意義上說(shuō)，信息科學(xué)資源開(kāi)發(fā)利用的前景給我們的啟示，主要有以下四個(gè)方面：
一、制訂有關(guān)信息科學(xué)資源開(kāi)發(fā)利用的決策時(shí)，必須把這種前景作為決策的未來(lái)信息科學(xué)。
二、我們必須盡快地作出有利于發(fā)展信息科學(xué)技術(shù)的各種決策，使信息科學(xué)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(xué)資源開(kāi)發(fā)和利用范圍的不斷擴(kuò)大，我國(guó)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(xùn)練信息科學(xué)人才滿(mǎn)足未來(lái)需要的決策。這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)作為科研、教育等方面體制改革的重點(diǎn)來(lái)抓。
四、隨著信息科學(xué)資源的不斷增長(zhǎng)，人們從大量的信息科學(xué)中迅速、有效、準(zhǔn)確地選擇決策所必須依據(jù)的信息科學(xué)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(jìn)一步研究信息科學(xué)和決策的關(guān)系問(wèn)題，研究信息科學(xué)因素對(duì)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(jiǎn)介
1.1 ThinkPHP MVC[1]
MVC英文即Model- View- Controller，它是把一個(gè)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(jìn)行強(qiáng)制分離。
View層代表與用戶(hù)交互的界面，對(duì)于Web應(yīng)用來(lái)說(shuō)，也可以大概概括為HTML界面，但MVC設(shè)計(jì)模式對(duì)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(shí)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(gè)MVC的核心。模型層接受View層請(qǐng)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(jì)算都是在這里完成的。
Controller層用來(lái)接受用戶(hù)的操作并調(diào)用模型和視圖完成用戶(hù)的需求。可以理解為從用戶(hù)接收請(qǐng)求，將模型與視圖匹配在一起，共同完成用戶(hù)的請(qǐng)求。劃分控制層的作用也很明顯，控制器就是一個(gè)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(hù)請(qǐng)求。控制層并不做任何的數(shù)據(jù)處理，它接受用戶(hù)的輸入并調(diào)用模型和視圖去完成用戶(hù)的需求。
ThinkPHP是一個(gè)性能卓越并且功能豐富的輕量級(jí)PHP開(kāi)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(kù)[2-3]，ThinkPHP框架本身沒(méi)有什么特別模塊要求，具體的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求視開(kāi)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(kāi)發(fā)采用ThinkPHP框架，一方面處理用戶(hù)登錄及注冊(cè)的邏輯判斷、套餐及體檢機(jī)構(gòu)的篩選查詢(xún)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(kù)，通過(guò)對(duì)界面的可視化操作，完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)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(hù)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(hù)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(fù)用性。
2 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)
2.1 網(wǎng)站開(kāi)發(fā)流程
首先做的是對(duì)本健康醫(yī)療網(wǎng)[7-8]的需求進(jìn)行分析，包括市場(chǎng)前景、用戶(hù)分析等；然后需要對(duì)醫(yī)療平臺(tái)進(jìn)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(fēng)格規(guī)劃）以及網(wǎng)站功能；再做項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，包括界面設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的整合；最后一步就是測(cè)試驗(yàn)收，包括三部分：項(xiàng)目人員測(cè)試、非項(xiàng)目人員測(cè)試以及公開(kāi)的測(cè)試。
2.2 系統(tǒng)的整體功能設(shè)計(jì)
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(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 前臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)的前端界面主要分為六個(gè)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(dòng)態(tài)資訊、體檢知識(shí)、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(shí)；健康優(yōu)選模塊包括營(yíng)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(duì)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(jī)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(bào)告查詢(xún)等，主要是面向團(tuán)檢的模塊；檢后服務(wù)提供如體檢報(bào)告查詢(xún)、報(bào)告解讀、疾病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等一些特色服務(wù)。
3.2 后臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)
后臺(tái)首先配置數(shù)據(jù)庫(kù)的連接信息等。本數(shù)據(jù)庫(kù)包含眾多的數(shù)據(jù)表，比如用戶(hù)表，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的用戶(hù)信息；新聞表，用于前端的健康教育模塊，文章內(nèi)容、標(biāo)題、圖片等信息都是在這里管理的；套餐表，套餐的價(jià)格、名字、簡(jiǎn)介等皆是在此存儲(chǔ)，進(jìn)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(kù)，采用的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)軟件是PowerDesigner。數(shù)據(jù)庫(kù)部分設(shè)計(jì)圖如圖5所示：
操作數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)php語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，這里采用的是Thinkphp框架。
4 結(jié)束語(yǔ)
如今是互聯(lián)網(wǎng)完全普及的時(shí)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(shì)。本文為網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療的融合提供了一種參考方式[9]。
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1、各國(guó)競(jìng)相出臺(tái)納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃
由于納米技術(shù)對(duì)國(guó)家未來(lái)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展及國(guó)防安全具有重要意義，世界各國(guó)（地區(qū)）紛紛將納米技術(shù)的研發(fā)作為21世紀(jì)技術(shù)創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)器，相繼制定了發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃，以指導(dǎo)和推進(jìn)本國(guó)納米科技的發(fā)展。目前，世界上已有50多個(gè)國(guó)家制定了國(guó)家級(jí)的納米技術(shù)計(jì)劃。一些國(guó)家雖然沒(méi)有專(zhuān)項(xiàng)的納米技術(shù)計(jì)劃，但其他計(jì)劃中也往往包含了納米技術(shù)相關(guān)的研發(fā)。
（1）發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)雄心勃勃
為了搶占納米科技的先機(jī)，美國(guó)早在2000年就率先制定了國(guó)家級(jí)的納米技術(shù)計(jì)劃（NNI），其宗旨是整合聯(lián)邦各機(jī)構(gòu)的力量，加強(qiáng)其在開(kāi)展納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作方面的協(xié)調(diào)。2003年11月，美國(guó)國(guó)會(huì)又通過(guò)了《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開(kāi)發(fā)法案》，這標(biāo)志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計(jì)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(kāi)。
日本政府將納米技術(shù)視為“日本經(jīng)濟(jì)復(fù)興”的關(guān)鍵。第二期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃將生命科學(xué)、信息通信、環(huán)境技術(shù)和納米技術(shù)作為4大重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域，并制定了多項(xiàng)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(shí)。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進(jìn)從基礎(chǔ)性到實(shí)用性的研發(fā)，同時(shí)跨省廳重點(diǎn)推進(jìn)能有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的研發(fā)。
歐盟在2002—2007年實(shí)施的第六個(gè)框架計(jì)劃也對(duì)納米技術(shù)給予了空前的重視。該計(jì)劃將納米技術(shù)作為一個(gè)最優(yōu)先的領(lǐng)域，有13億歐元專(zhuān)門(mén)用于納米技術(shù)和納米科學(xué)、以知識(shí)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(huì)還力圖制定歐洲的納米技術(shù)戰(zhàn)略，目前，已確定了促進(jìn)歐洲納米技術(shù)發(fā)展的5個(gè)關(guān)鍵措施：增加研發(fā)投入，形成勢(shì)頭；加強(qiáng)研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施；從質(zhì)和量方面擴(kuò)大人才資源；重視工業(yè)創(chuàng)新，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和服務(wù)；考慮社會(huì)因素，趨利避險(xiǎn)。另外，包括德國(guó)、法國(guó)、愛(ài)爾蘭和英國(guó)在內(nèi)的多數(shù)歐盟國(guó)家還制定了各自的納米技術(shù)研發(fā)計(jì)劃。
（2）新興工業(yè)化經(jīng)濟(jì)體瞄準(zhǔn)先機(jī)
意識(shí)到納米技術(shù)將會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大的影響，韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等新興工業(yè)化經(jīng)濟(jì)體，為了保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也紛紛制定納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。韓國(guó)政府2001年制定了《促進(jìn)納米技術(shù)10年計(jì)劃》，2002年頒布了新的《促進(jìn)納米技術(shù)開(kāi)發(fā)法》，隨后的2003年又頒布了《納米技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)施規(guī)則》。韓國(guó)政府的政策目標(biāo)是融合信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)3個(gè)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(jì)劃結(jié)束時(shí)，韓國(guó)納米技術(shù)研發(fā)要達(dá)到與美國(guó)和日本等領(lǐng)先國(guó)家的水平，進(jìn)入世界前5位的行列。
中國(guó)臺(tái)灣自1999年開(kāi)始，相繼制定了《納米材料尖端研究計(jì)劃》、《納米科技研究計(jì)劃》，這些計(jì)劃以人才和核心設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，以追求“學(xué)術(shù)卓越”和“納米科技產(chǎn)業(yè)化”為目標(biāo)，意在引領(lǐng)臺(tái)灣知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建立產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
（3）發(fā)展中大國(guó)奮力趕超
綜合國(guó)力和科技實(shí)力較強(qiáng)的發(fā)展中國(guó)家為了迎頭趕上發(fā)達(dá)國(guó)家納米科技發(fā)展的勢(shì)頭，也制定了自己的納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。中國(guó)政府在2001年7月就了《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)、國(guó)家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專(zhuān)門(mén)委員會(huì)。目前正在制定中的國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要將明確中國(guó)納米科技發(fā)展的路線圖，確定中國(guó)在目前和中長(zhǎng)期的研發(fā)任務(wù)，以便在國(guó)家層面上進(jìn)行指導(dǎo)與協(xié)調(diào)，集中力量、發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，爭(zhēng)取在幾個(gè)方面取得重要突破。鑒于未來(lái)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(xiàng)國(guó)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(guò)加大對(duì)從事材料科學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目的支持力度，加強(qiáng)材料科學(xué)中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。
2、納米科技研發(fā)投入一路攀升
納米科技已在國(guó)際間形成研發(fā)熱潮，現(xiàn)在無(wú)論是富裕的工業(yè)化大國(guó)還是渴望富裕的工業(yè)化中國(guó)家，都在對(duì)納米科學(xué)、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(bào)告稱(chēng)，在過(guò)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(jì)為20億歐元。這說(shuō)明，全球?qū){米技術(shù)研發(fā)的年投資已達(dá)50億歐元。
美國(guó)的公共納米技術(shù)投資最多。在過(guò)去4年內(nèi)，聯(lián)邦政府的納米技術(shù)研發(fā)經(jīng)費(fèi)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(jì)納米技術(shù)研究開(kāi)發(fā)法》，在2005～2008財(cái)年聯(lián)邦政府將對(duì)納米技術(shù)計(jì)劃投入37億美元，而且這還不包括國(guó)防部及其他部門(mén)將用于納米研發(fā)的經(jīng)費(fèi)。
日本目前是僅次于美國(guó)的第二大納米技術(shù)投資國(guó)。日本早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始支持納米科學(xué)研究，近年來(lái)納米科技投入迅速增長(zhǎng)，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(zhǎng)20%。
在歐洲，根據(jù)第六個(gè)框架計(jì)劃，歐盟對(duì)納米技術(shù)的資助每年約達(dá)7.5億美元，有些人估計(jì)可達(dá)9.15億美元。另有一些人估計(jì)，歐盟各國(guó)和歐盟對(duì)納米研究的總投資可能兩倍于美國(guó)，甚至更高。
中國(guó)期望今后5年內(nèi)中央政府的納米技術(shù)研究支出達(dá)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(guó)臺(tái)灣計(jì)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(dá)1億美元。韓國(guó)每年的納米技術(shù)投入預(yù)計(jì)約為1.45億美元，而新加坡則達(dá)3.7億美元左右。
就納米科技人均公共支出而言，歐盟25國(guó)為2.4歐元，美國(guó)為3.7歐元，日本為6.2歐元。按照計(jì)劃，美國(guó)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(shì)。公共納米投資占GDP的比例是：歐盟為0.01%，美國(guó)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(guó)魯克斯資訊公司2004年的一份年度報(bào)告稱(chēng)，很多私營(yíng)企業(yè)對(duì)納米技術(shù)的投資也快速增加。美國(guó)的公司在這一領(lǐng)域的投入約為17億美元，占全球私營(yíng)機(jī)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(yíng)機(jī)構(gòu)將投資6.5億美元，占17%。由于投資的快速增長(zhǎng)，納米技術(shù)的創(chuàng)新時(shí)代必將到來(lái)。
3、世界各國(guó)納米科技發(fā)展各有千秋
各納米科技強(qiáng)國(guó)比較而言，美國(guó)雖具有一定的優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)在尚無(wú)確定的贏家和輸家。
（1）在納米科技論文方面日、德、中三國(guó)不相上下
根據(jù)中國(guó)科技信息研究所進(jìn)行的納米論文統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2000—2002年，共有40370篇納米研究論文被《2000—2002年科學(xué)引文索引（SCI）》收錄。納米研究論文數(shù)量逐年增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)幅度較大，2001年和2002年的增長(zhǎng)率分別達(dá)到了30.22%和18.26%。
2000—2002年納米研究論文，美國(guó)以較大的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于其他國(guó)家，3年累計(jì)論文數(shù)超過(guò)10000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日本（12.76%）、德國(guó)（11.28%）、中國(guó)（10.64%）和法國(guó)（7.89%）位居其后，它們各自的論文總數(shù)都超過(guò)了3000篇。而且以上5國(guó)2000—2002年每年的納米論文產(chǎn)出大都超過(guò)了1000篇，是納米研究最活躍的國(guó)家，也是納米研究實(shí)力最強(qiáng)的國(guó)家。中國(guó)的增長(zhǎng)幅度最為突出，2000年中國(guó)納米論文比例還落后德國(guó)2個(gè)多百分點(diǎn)，到2002年已經(jīng)超過(guò)德國(guó)，位居世界第三位，與日本接近。
在上述5國(guó)之后，英國(guó)、俄羅斯、意大利、韓國(guó)、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國(guó)3年累計(jì)論文總數(shù)都超過(guò)了1000篇，且每年的論文數(shù)排位都可以進(jìn)入前10名。這5個(gè)國(guó)家可以列為納米研究較活躍的國(guó)家。
另外，如果歐盟各國(guó)作為一個(gè)整體，其論文量則超過(guò)36%，高于美國(guó)的29.46%。（2）在申請(qǐng)納米技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利方面美國(guó)獨(dú)占鰲頭
據(jù)統(tǒng)計(jì)：美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局2000—2002年共受理2236項(xiàng)關(guān)于納米技術(shù)的專(zhuān)利。其中最多的國(guó)家是美國(guó)（1454項(xiàng)），其次是日本（368項(xiàng)）和德國(guó)（118項(xiàng)）。由于專(zhuān)利數(shù)據(jù)來(lái)源美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局，所以美國(guó)的專(zhuān)利數(shù)量非常多，所占比例超過(guò)了60%。日本和德國(guó)分別以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英國(guó)、韓國(guó)、加拿大、法國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣的專(zhuān)利數(shù)也較多，所占比例都超過(guò)了1%。
專(zhuān)利反映了研究成果實(shí)用化的能力。多數(shù)國(guó)家納米論文數(shù)與專(zhuān)利數(shù)所占比例的反差較大，在論文數(shù)最多的20個(gè)國(guó)家和地區(qū)中，專(zhuān)利數(shù)所占比例超過(guò)論文數(shù)所占比例的國(guó)家和地區(qū)只有美國(guó)、日本和中國(guó)臺(tái)灣。這說(shuō)明，很多國(guó)家和地區(qū)在納米技術(shù)研究上具備一定的實(shí)力，但比較側(cè)重于基礎(chǔ)研究，而實(shí)用化能力較弱。
（3）就整體而言納米科技大國(guó)各有所長(zhǎng)
美國(guó)納米技術(shù)的應(yīng)用研究在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)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(guó)納米研究熱點(diǎn)已逐步轉(zhuǎn)向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。醫(yī)學(xué)納米技術(shù)已經(jīng)被列為美國(guó)國(guó)家的優(yōu)先科研計(jì)劃。在納米醫(yī)學(xué)方面，納米傳感器可在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)多種癌癥進(jìn)行早期診斷，而且，已能在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進(jìn)行早期診斷。2004年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專(zhuān)門(mén)出臺(tái)了一項(xiàng)《癌癥納米技術(shù)計(jì)劃》，目的是將納米技術(shù)、癌癥研究與分子生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標(biāo)；利用納米顆粒追蹤活性物質(zhì)在生物體內(nèi)的活動(dòng)也是一個(gè)研究熱門(mén)，這對(duì)于研究艾滋病病毒、癌細(xì)胞等在人體內(nèi)的活動(dòng)情況非常有用，還可以用來(lái)檢測(cè)藥物對(duì)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(lái)5～10年有望商業(yè)化。
雖然醫(yī)學(xué)納米技術(shù)正成為納米科技的新熱點(diǎn)，納米技術(shù)在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域的應(yīng)用仍然引人關(guān)注。美國(guó)科研人員正在加緊納米級(jí)半導(dǎo)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(xué)家試圖利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)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(yùn)算快的芯片。這種技術(shù)本來(lái)有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術(shù)。在光學(xué)新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長(zhǎng)度達(dá)到幾百微米的納米導(dǎo)線。
日本納米技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)實(shí)力強(qiáng)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(shí)用化還有相當(dāng)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(kāi)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(jìn)電弧放電法、化學(xué)氣相合成法和激光燒蝕法等現(xiàn)有方法，同時(shí)積極開(kāi)發(fā)新的制造技術(shù)，特別是批量生產(chǎn)技術(shù)。細(xì)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(shí)數(shù)千克的速度制造粒徑在數(shù)十納米的單一和復(fù)合的超微粒材料。東麗和三菱化學(xué)公司應(yīng)用大學(xué)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)能把制造碳納米材料的成本減至原來(lái)的1／10，兩三年內(nèi)即可進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。
日本高度重視開(kāi)發(fā)檢測(cè)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(chǎng)光學(xué)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(jí)照相機(jī)顯微鏡、超高真空掃描型原子力顯微鏡等新產(chǎn)品。科學(xué)家村田和廣成功開(kāi)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(jī)高分子等多種材料的基板上印制細(xì)微電路，是世界最高水平。
日本企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)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(gè)電子晶體管、分子電子元件等更細(xì)微、更高性能的元器件和量子計(jì)算機(jī)，解析分子、蛋白質(zhì)及基因的結(jié)構(gòu)等。不過(guò)，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(xué)方面頗具實(shí)力，特別是在光學(xué)和光電材料、有機(jī)電子學(xué)和光電學(xué)、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導(dǎo)體、復(fù)合材料、醫(yī)學(xué)材料、智能材料等方面的研究能力較強(qiáng)。
中國(guó)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(wú)機(jī)非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學(xué)合成材料也是一個(gè)重要方面，而在納米電子學(xué)、納米器件和納米生物醫(yī)學(xué)研究方面與發(fā)達(dá)國(guó)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(jì)：2004年全球納米技術(shù)的年產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到500億美元，2010年將達(dá)到14400億美元。為此，各納米技術(shù)強(qiáng)國(guó)為了盡快實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，都在加緊采取措施，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
美國(guó)國(guó)家科研項(xiàng)目管理部門(mén)的管理者們認(rèn)為，美國(guó)大公司自身的納米技術(shù)基礎(chǔ)研究不足，導(dǎo)致美國(guó)在該領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用缺乏動(dòng)力，因此，嘗試建立一個(gè)由多所大學(xué)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(kāi)發(fā)緊密結(jié)合在一起。美國(guó)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(gè)“納米科技成果轉(zhuǎn)化中心”，以便及時(shí)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(xiàng)：一是進(jìn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其研究領(lǐng)域涉及納米計(jì)算、納米通訊、納米機(jī)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(guó)國(guó)防工業(yè)。
美國(guó)的一些大公司也正在認(rèn)真探索利用納米技術(shù)改進(jìn)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(gè)由專(zhuān)業(yè)、商業(yè)和學(xué)術(shù)組織組成的網(wǎng)絡(luò)在迅速擴(kuò)大，其目的是共享信息，促進(jìn)聯(lián)系，加速納米技術(shù)應(yīng)用。
日本企業(yè)界也加強(qiáng)了對(duì)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(xué)及國(guó)立科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合，不久前又建立了“關(guān)西納米技術(shù)推進(jìn)會(huì)議”，以大力促進(jìn)本地區(qū)納米技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(jìn)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(tái)，推動(dòng)納米技術(shù)在歐盟成員國(guó)的應(yīng)用。歐盟委員會(huì)指出：建立納米技術(shù)工業(yè)平臺(tái)的目的是使工程師、材料學(xué)家、醫(yī)療研究人員、生物學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)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(xué)產(chǎn)品和運(yùn)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(shí)減少能源消耗和垃圾。歐盟希望通過(guò)建立納米技術(shù)工業(yè)平臺(tái)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(guó)。
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(chē)組織和客運(yùn)組織重要的輔助設(shè)備，是保證運(yùn)輸安全、應(yīng)對(duì)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(hào)，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(zhuān)用，具有一定的局限性，要滿(mǎn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行視頻信息的壓縮、儲(chǔ)存、分析和顯示。通過(guò)各種視頻和圖像的算法分析，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接警處理，達(dá)到無(wú)人值守；同時(shí)，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，即使是數(shù)千公里外也能達(dá)到親臨現(xiàn)場(chǎng)的效果，并且能夠更加快速的了解現(xiàn)場(chǎng)情況。論文參考。
利用先進(jìn)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(dá)到非常實(shí)用的監(jiān)控管理和遠(yuǎn)程維護(hù)。
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(jī)、編碼器及存儲(chǔ)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與編碼器直接寫(xiě)存儲(chǔ)功能，且網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與編碼器對(duì)中心存儲(chǔ)具備冗余備份功能，在實(shí)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(shí)，還能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次應(yīng)用開(kāi)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(chē)牌識(shí)別、人臉識(shí)別和人數(shù)統(tǒng)計(jì)等。
系統(tǒng)應(yīng)用級(jí)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(jìn)行車(chē)輛路線分析，實(shí)現(xiàn)各種肇事車(chē)輛行駛路線的自動(dòng)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(shì)。其中，主干網(wǎng)設(shè)計(jì)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(gè)交通行業(yè)視頻監(jiān)控模型主要包括四部分：視頻存儲(chǔ)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(chǔ)管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)管理、智能存儲(chǔ)管理和客戶(hù)端管理等。監(jiān)控中心主要完成用戶(hù)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(rèn)證管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控平臺(tái)中的各個(gè)站點(diǎn)和用戶(hù)的管理及用戶(hù)權(quán)限的分配。
監(jiān)控中心通過(guò)接入認(rèn)證請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端視頻圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)前端云臺(tái)的實(shí)時(shí)控制，以便快速響應(yīng)異常情況。同時(shí)，支持對(duì)存儲(chǔ)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(tái)及監(jiān)控管理軟件組成，供專(zhuān)業(yè)用戶(hù)使用。用戶(hù)在得到授權(quán)的情況下，可以通過(guò)前端系統(tǒng)完成各種系統(tǒng)功能的訪問(wèn)。
傳輸網(wǎng)絡(luò)提供了可以通過(guò)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(lèi)接入網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行視頻業(yè)務(wù)的傳輸。在行業(yè)市場(chǎng)，用戶(hù)更關(guān)注的是以太網(wǎng)、PON網(wǎng)絡(luò)、無(wú)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(jī)及報(bào)警探頭等設(shè)備。其中，編碼器用于實(shí)現(xiàn)音視頻信號(hào)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(guó)內(nèi)主流廠商的DVR、DVS和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品，同時(shí)可以提供SDK支持二次開(kāi)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(guó)第一臺(tái)DVR（Digital Video Recorder）數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)設(shè)備問(wèn)世并進(jìn)入安防領(lǐng)域以來(lái)，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(chǎng)份額，其實(shí)現(xiàn)的主要功能是視頻和音頻信號(hào)采集以及本地?cái)?shù)字化存儲(chǔ)，但由于其自身架構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，始終無(wú)法解決網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控的長(zhǎng)延時(shí)、無(wú)法多路同時(shí)監(jiān)控、無(wú)法實(shí)現(xiàn)前端存儲(chǔ)、集中監(jiān)控和建設(shè)維護(hù)成本高等問(wèn)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(guó)內(nèi)外廠商提及，在國(guó)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(chǔ)管理設(shè)計(jì)基于NVR技術(shù)，提供視頻圖像存儲(chǔ)、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(jī)通過(guò)與智能存儲(chǔ)設(shè)備之間確定的協(xié)議，直接將前端的視頻圖像寫(xiě)入智能存儲(chǔ)設(shè)備，而不需要再單獨(dú)提供存儲(chǔ)服務(wù)器。對(duì)于接收到的視頻圖像，可以回放給客戶(hù)端進(jìn)行查看和調(diào)用。同時(shí)，與前端編碼器或網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)形成冗余備份保護(hù)方案，當(dāng)編碼器與智能存儲(chǔ)設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)中斷后，編碼器或網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)啟動(dòng)本地存儲(chǔ)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)通信后，智能存儲(chǔ)設(shè)備會(huì)自動(dòng)將編碼器或網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)存儲(chǔ)在本地的錄像數(shù)據(jù)取到智能存儲(chǔ)設(shè)備上進(jìn)行集中保存。通過(guò)智能存儲(chǔ)管理設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，訪問(wèn)方只要訪問(wèn)智能存儲(chǔ)管理單元并告知要訪問(wèn)的前端設(shè)備，智能存儲(chǔ)管理設(shè)備可代為取到視頻流并轉(zhuǎn)發(fā)給該訪問(wèn)方；通過(guò)智能存儲(chǔ)管理設(shè)備分發(fā)時(shí)，一路視頻通過(guò)存儲(chǔ)設(shè)備可以被復(fù)制成多路送達(dá)不同的訪問(wèn)方。
4. 模型特點(diǎn)
交通行業(yè)視頻監(jiān)控模型的特點(diǎn)如下：
Ø先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)部署以及網(wǎng)絡(luò)的智能保護(hù)：采用前端系統(tǒng)直接將視頻信息寫(xiě)入存儲(chǔ)單元，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，前端設(shè)備的本地存儲(chǔ)啟動(dòng)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將前端設(shè)備存儲(chǔ)的錄像數(shù)據(jù)取到存儲(chǔ)設(shè)備上進(jìn)行集中保存。同時(shí)主干網(wǎng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)分布式部署集中式管理，也可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)分級(jí)部署和分級(jí)管理；
Ø開(kāi)發(fā)兼容性更強(qiáng)：采用開(kāi)放式的協(xié)議兼容國(guó)內(nèi)主流廠商的前端設(shè)備；開(kāi)放性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(guò)對(duì)存儲(chǔ)的視頻信息智能分析，提供多種檢索方式，快速準(zhǔn)確進(jìn)行圖像定位和調(diào)用；
Ø可視化監(jiān)控標(biāo)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(diǎn)和監(jiān)控圖像，并且對(duì)肇事車(chē)輛進(jìn)行路線的自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的、智能的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控解決方案。
5. 結(jié)束語(yǔ)
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(diǎn)，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(diǎn)展現(xiàn)使得該項(xiàng)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(shì)，市場(chǎng)應(yīng)用將會(huì)逐漸擴(kuò)大，應(yīng)用前景非常可觀。
參考文獻(xiàn)：
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[5] 王永慶,華竹軒.基于網(wǎng)絡(luò)的分布式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)廣東自動(dòng)化與信息工程
[6] 王永慶,殷惠莉,朱學(xué)峰.基于網(wǎng)絡(luò)的分布數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 廣東自動(dòng)化與信息工程
關(guān)鍵詞：小波變換 數(shù)字水印 非對(duì)稱(chēng) RSA算法
中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xiě)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(mén)學(xué)科的出現(xiàn)僅僅只有20年左右的時(shí)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(lái)數(shù)字水印技術(shù)被眾多專(zhuān)家和機(jī)構(gòu)重點(diǎn)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(shí)/空域算法
最早期出現(xiàn)的水印是時(shí)/空域算法，這種算法的思想是通過(guò)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(jiǎn)要說(shuō)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(gè)隨機(jī)信號(hào)，隨后，按照事先的規(guī)則轉(zhuǎn)換為二維水印信號(hào)，最后，將水印新號(hào)嵌入到原始圖像的像素值最低1位（或2位）。因?yàn)樗⌒盘?hào)隱藏在最低幾位，這就相當(dāng)于只直接疊加了一層很低能量的信號(hào)，在人體視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)感知范圍內(nèi)，都基本察覺(jué)不到。這種算法雖然可以隱藏的信息量相對(duì)較多，但是被隱藏的信息也極容易被消除，無(wú)法滿(mǎn)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(kāi)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(shì)，LSB在隱蔽通信中仍占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。
另一種經(jīng)典的時(shí)/空域算法方案是Patchwork方案，它是由Bander人提出的基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)字水印方案。Patchwork方案的思想是只需任意選擇出M對(duì)圖像點(diǎn)，在降低一個(gè)像素點(diǎn)亮度值的同時(shí)，增加對(duì)應(yīng)點(diǎn)的亮度值，這樣并沒(méi)有改變整體圖像的亮度。利用這種調(diào)整變化實(shí)現(xiàn)嵌入水印。該算法不可見(jiàn)性較好，而且對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的頻域系數(shù)；然后，依據(jù)具體的待嵌入的信息類(lèi)型，采取不同的編碼與變形；接著，對(duì)已經(jīng)選定的頻域系數(shù)序列進(jìn)行修改；最后，把修改過(guò)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(fù)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(shí)人們還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出一種近乎完美的算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印的嵌入，人們總是在對(duì)數(shù)字水印的各種高指標(biāo)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(duì)稱(chēng)數(shù)字密鑰水印算法。下面，將按照此次完整的設(shè)計(jì)方案順序?qū)υ摂?shù)字水印算法體系進(jìn)行介紹。
2.1 密鑰處理
這里采用非對(duì)稱(chēng)密鑰對(duì)，利用保密級(jí)較高的RSA算法生成。RSA算法最先是在1978年由美國(guó)麻省理工學(xué)院論文中提出的。其名稱(chēng)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(wèn)題是數(shù)學(xué)界上至今沒(méi)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(duì)稱(chēng)密碼進(jìn)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(guò)程是生成一對(duì)RSA密鑰，一個(gè)由版權(quán)所有者保存，是加密時(shí)所以要的保密密鑰，由版權(quán)所有者保存，而另外一個(gè)是可以對(duì)外公開(kāi)的公開(kāi)密鑰（或解密密鑰），可以將其安全的散播到互聯(lián)網(wǎng)中，對(duì)應(yīng)此人就開(kāi)可以采用自己的私有密鑰急性接收并解密。其算法的實(shí)現(xiàn)原理如下：
首先，隨機(jī)任取兩個(gè)不同的大質(zhì)數(shù)p和q，計(jì)算他們的乘積r=p×q（為達(dá)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(jī)選擇一個(gè)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(duì)方便選擇的，因?yàn)槿魏未笥谫|(zhì)數(shù)p和q的質(zhì)數(shù)都可以滿(mǎn)足條件。而這里將采用e作為加密密鑰。接著，由計(jì)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(kāi)，一起作為加密密鑰，對(duì)明文P進(jìn)行加密的算法為C=p^e mod r。這里的C便是通過(guò)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(lái)說(shuō)一共有五大類(lèi)，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(biāo)以及其它圖片。（2）二值圖片，常見(jiàn)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(biāo)以及灰度圖片。（4）文本信息，比較常見(jiàn)的有ID序列號(hào)、信息、簽名等。（5）聲音信號(hào)，想音頻信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)、音樂(lè)等都可以，但是這種形式的水印比較不常見(jiàn)。本文采用比較鮮明的圖像才作為原始水印信息。為了增強(qiáng)數(shù)字水印的安全性，需要對(duì)其進(jìn)行一定的加密，首先對(duì)原始數(shù)字水印信息通過(guò)Arnold進(jìn)行亂序預(yù)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(guò)前面分析，水印的嵌入的方法有許多，經(jīng)過(guò)對(duì)比很容易發(fā)現(xiàn)，就目前而言，最能滿(mǎn)足水印各項(xiàng)性能指標(biāo)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(guó)工程師J.Morlet在1974年提出，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，已經(jīng)取得許多的理論上和實(shí)際應(yīng)用上的研究成果，他是繼傅里葉變換分析后的一個(gè)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(yùn)用多分辨率分解，分解生成對(duì)應(yīng)不同時(shí)空，不同頻率的圖像，從而能夠達(dá)到人眼的視覺(jué)機(jī)制不可感知的標(biāo)準(zhǔn)。其原理和傅里葉變換大同小異，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是對(duì)來(lái)源于信號(hào)的函數(shù)進(jìn)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(chēng)為對(duì)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(fù)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(duì)按冪級(jí)數(shù)桌布加大的方法對(duì)進(jìn)行離散化，可以做二進(jìn)制離散，即令，，；離散化b則令，是時(shí)間采樣間隔。然后，小波函數(shù)序列可以表示為：
（3）
那么對(duì)于任意函數(shù)的離散小波變換（DWT）可以寫(xiě)為：
（4）
實(shí)現(xiàn)中，小波變換具有如下一些特點(diǎn)：
（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(duì)應(yīng)關(guān)系。正因?yàn)榇耍拍軌蚍奖愕膱D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(dá)能力：它擁有多種分辨率的表示形式，從而能夠方便的對(duì)圖像進(jìn)行直接多層次處理，減少了計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。（3）小波變化的自適應(yīng)能力強(qiáng)：它可以靈活變換。針對(duì)不同的圖像類(lèi)型可以采取多種形式的變換。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
在matlab仿真軟件編譯，實(shí)現(xiàn)仿真界面如圖2所示。
3.1 對(duì)不可感知性的測(cè)試
（1）主觀測(cè)試。
主要是人眼對(duì)載入水印后的圖像不可感知性的檢驗(yàn)，也是檢驗(yàn)不可見(jiàn)水印的首要要求，本質(zhì)上是要求宿主信號(hào)應(yīng)遠(yuǎn)大于水印信號(hào)，體現(xiàn)于視覺(jué)上，便是人的肉眼無(wú)法分辨出嵌入水印前后兩幅圖片的變化（見(jiàn)圖3）。該算法能充分保證水印的不可見(jiàn)性。
（2）客觀測(cè)試。
主觀測(cè)試在實(shí)際研發(fā)操作定量中，體現(xiàn)不出太多的價(jià)值，這時(shí)候偏向采用能夠具體體現(xiàn)失真數(shù)值的定量參數(shù)計(jì)算公式。常用的度量指標(biāo)有：
信號(hào)噪聲比（SNR）：
（5）
峰值信噪比（PSNR）：
（6）
3.2 對(duì)魯棒性的測(cè)試
在對(duì)水印系統(tǒng)的魯棒性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通常選用測(cè)試提取水印與原始水印的相似性，根據(jù)相似性的大小來(lái)檢驗(yàn)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(cè)試結(jié)果匯總
在本次測(cè)試?yán)铮謩e對(duì)嵌入水印的信息進(jìn)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(qiáng)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(fù)后的水印均能識(shí)別出“GUET”水印圖像，定量的測(cè)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(duì)稱(chēng)密鑰算法、Arnold變換、小波變換等多項(xiàng)技術(shù)相融合，通過(guò)matlab仿真軟件進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)證明，該非對(duì)稱(chēng)水印方案具有可靠的檢測(cè)性能，對(duì)常見(jiàn)的圖像處理攻擊具有較好的魯棒性。這里并設(shè)計(jì)出一款操作簡(jiǎn)單的非對(duì)稱(chēng)水印嵌入和檢測(cè)提取軟件，在一定程度上起到借鑒作用。
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