電子學與計算機

電子學是一門以應用為主要目的的科學和技術。

電子學是以電子運動和電磁波及其相互作用的研究和利用為核心而發展起來的。它作為新的信息作業手段獲得了蓬勃發展。

電子是基本粒子家族中的一個主要成員。電子的靜止質量是9.10953×10克,為氫原子質量的1/1836。電子荷有1.602189×10庫侖的負電。宇宙間存在着電子的對立物──正電子,但它的壽命很短,一般情況下是不存在的。質子荷有與電子電荷絕對值相等的正電荷，是氫原子質量的主要構成部分。在通常情況下，原子含有等量的電子和質子，對外不顯電性。但當它俘獲或失去電子時對外顯現電性，稱為離子。離子在電子學中也佔有一定的位置，但遠不如電子的應用廣泛。電荷周圍伴有電場，電場對電荷產生力的作用。電荷的運動產生電流，電流周圍又伴有磁場，磁場對磁體或電流產生力的作用。當電流變化時，周圍的電場和磁場也會隨之發生變化。這種變化以波的形態攜載能量以一定的速度向外傳播，這種波稱為電磁波。電流變化越快，所產生的電磁波波長越短，但傳播速度不變。電磁波在真空中的傳播速度為每秒 299792.46公里。電磁場和電磁波還能和帶電粒子發生相互作用，產生能量變換。理論和實踐都證明,光波、X射線、γ射線等都是電磁波，只是波長不同。電子和電磁波具有波、粒二象性；在電子運動速度極高和電磁波波長極短時，波、粒二象性十分顯著。

電子在真空、氣體、液體、固體和等離子體中運動時產生的許多物理現象，電磁波在真空、氣體、液體、固體和等離子體中傳播時發生的許多物理效應，以及電子和電磁波的相互作用的物理規律，合起來構成電子學的基礎研究的主要內容。電子學不僅致力於這些物理現象、物理效應和物理規律的研究，尤其致力於這些物理現象、物理效應和物理規律的應用。電子學作為科學技術的門類之一具有十分鮮明的應用目的性，這是電子學的重要特點之一。電子學是為信息事業、能源事業和材料事業服務的。

信息作業的基本內容可以概括為信息的採集、變換、傳輸、交換、存儲、處理和再現等。電子學為當代各種信息作業提供了強有力的技術手段，如計算機、通信網、廣播電視網、雷達、遙感技術等，極大地增強了人類的感官和大腦的作用，使現代人類社會的生產活動、經濟活動和社會活動的效率大大提高。電子學使人類跨入了信息社會的新階段。

能源供給人類生產和生活以所需的動力。核能和太陽能正日益受到重視,太陽能是可再生能源。據計算,太陽輻射到地球上的峯功率達一百幾十萬億千瓦。用半導體制成的太陽電池是利用太陽能的重要手段。電子學在開發和利用新舊能源方面，日益顯示其重要作用。一門新興分支學科──能電子學正在興起。

材料是現代人類社會賴以存在和發展的物質基礎。電子學在改造現有材料、創造新型材料、進行材料分析和材料加工作業中，同樣也發揮着重要作用，並且往往是通過電子技術改變能態而實現的。

經歷了約一個世紀不停息的開拓和發展，現代的電子學已發展成為當代最引人注目的專業和學科之一。

電子學誕生迄今只有100年左右的歷史,它是在早期的電磁學和電工學的基礎上發展起來的。

在電子學誕生之前，人類對於電磁現象的研究已相當深入。一系列物理定律已經確立，如庫侖定律、安培定律、 歐姆定律、 楞次定律、法拉第電磁感應定律等。英國J.C.麥克斯韋集以往電磁學研究之大成，建立了電磁學的完整理論──麥克斯韋方程，並從理論上預言了電磁波的存在。與此同時，人們對電磁學的利用也達到了一定的水平，有線電報和有線電話已相繼發明，並且有了橫貫美洲大陸的電報、電話線路和橫跨大西洋的海底電纜。美國T.A.愛迪生髮明瞭白熾燈。所有這些，都為電子學的誕生準備了充足的條件。

標誌着電子學誕生的兩個重大的歷史事件，是愛迪生效應的發現和關於電磁波存在的驗證實驗。1883年，愛迪生在致力於延長碳絲白熾燈的壽命時，意外地發現了在燈絲與加有正電壓的電極間有電流流過，電極為負時則無電流，這就是愛迪生效應。這一發現導致了後來電子管的發明。

1887年，德國H.R.赫茲進行了一項實驗，他用火花隙激勵一個環狀天線，用另一個帶縫隙的環狀天線接收，證實了麥克斯韋關於電磁波存在的預言，這一重要的實驗導致了後來無線電報的發明。

電子學在發展過程中取得了許多有重大意義的成就。

無線電報還在電子學誕生以前，美國S.莫爾斯就於1837年發明並建成了電報線路，赫茲的實驗則架起了一座從“有線”通向“無線”的橋樑。1895年，意大利G.馬可尼在赫茲實驗的基礎上成功地進行了 2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年，俄國А.С.波波夫也獨立地進行了約250米距離的類似試驗,他傳送的第一份電文就是“赫茲”。此後數年，馬可尼在英國進行了一系列卓有成效的工作，使得無線電報的傳送距離不斷延伸。1899年，跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報的發展以及由此開創的無線電通信事業上的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎金物理學獎。

無線電報的發明，是人類利用電磁波的第一個巨大成就，電子學從此開始了一個研究和利用電磁波的極其興旺的時期。

電子管愛迪生雖然發現了熱電子發射效應（即愛迪生效應）,但他並未意識到這一效應的意義,而且對它的機理也不清楚。1897年，英國J.J.湯姆遜揭示出形成愛迪生效應的荷電粒子是電子，愛迪生效應乃是一種熱電子發射現象。1904年，英國J.A.弗萊明第一個把愛迪生效應付諸實用，發明了二極電子管。二極電子管的發明為無線電報接收提供了一種靈敏可靠的檢波器。1906年，美國L.德福雷斯特發明具有放大能力的三極電子管，為當時蓬勃發展的無線電報通信事業提供了一種極其有用的器件。三極電子管以後，又出現了四極管、五極管、更多極的電子管和複合管，形成了包括收信管、發射管、低頻管、高頻管、微波管和超小型管等系列。

電子管是電子器件的第一代，在晶體管發明以前的近半個世紀裏，電子管幾乎是各種電子設備中唯一可用的電子器件。電子學隨後取得的許多成就，如電視、雷達、計算機的發明，都是和電子管分不開的。就是在固體電子學十分興旺的現代，以大功率電子管（特別是微波功率電子管）和電子束管為代表的真空電子學也仍然是一個活躍的領域。

廣播與電視1876年,美國A.G.貝爾在美國建國100週年博覽會上展示了他所發明的有線電話。此後，有線電話便迅速普及開來。G.馬可尼發明無線電報，促成了無線電話和無線電廣播的出現。1906年，美國R.A.費森登進行了一項很有意義的實驗，他用50千赫頻率發電機作發射機,用微音器直接串入天線實現調製,首次使大西洋航船上的報務員聽到了他從波士頓播出的音樂，這是無線電廣播發明的先聲。1916年，美國G.D.薩諾夫最先提出向公眾進行無線電廣播的設想，但因第一次世界大戰爆發而未能實現。1919年，第一個定時播發語言和音樂的無線電廣播電台在英國建成。次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電台。此後，無線電廣播事業即在世界範圍內得到普及，從中波擴展到短波、超短波，從調幅擴展到調頻、脈衝調製等，衞星直播也已實現。

電視的發明可追溯到1884年德國P.G.尼普科夫關於機械掃描電視的設想。把尼普科夫設想付諸實現的是英國J.L.貝爾德。1927年，他成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。不過這還不是現代類型的全電子電視，第一個對全電子電視作出實際貢獻的是V.K.茲沃雷金。他在1923年和1924年相繼發明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統。此後幾年，迭經改進，約在30年代末，英美先後開始了試驗性的電視廣播。第二次世界大戰後，電視廣播便在各國逐漸普及。

廣播、電視的發明，不僅使人類的文化生活更加豐富多彩，而且為人類提供了一種公共的信息媒介。

雷達物體,特別是金屬物體（如艦船）,具有反射電磁波的能力，在赫茲、馬可尼、波波夫時代早已為人所知。在雷達發明之前，利用脈衝無線電裝置測量電離層高度的工作已進行多年。第二次世界大戰前夕，在飛機成為主要進攻武器的情況下，英、美、德、法等國均投入較多的人力，競相研製一類能早期警戒飛機的裝置。1936年,英國R.A.沃森-瓦特設計的警戒雷達最先投入了運行。它架設在英國的東岸，有效地警戒了來自德國的轟炸機。1938年，美國研製成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達，大大提高了火炮的命中率。1940年，出現能產生微波高功率的多腔磁控管，次年，第一部微波雷達研製成功。1944年，能夠自動跟蹤飛機的雷達研製成功。1945年，能消除背景干擾顯示運動目標的動目標顯示技術的發明，使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰期間，雷達成了電子學中最活躍的部分之一。近炸引信也屬於雷達性質，它成百倍地提高了炮火威力。

電子計算機計算工具的發明，經歷了漫長的道路。從古代中國的算籌和算盤到16世紀西方的計算尺和齒輪式計算機，從機械式計算機到電子計算機，從手動計算到自動計算，從十進制到二進制，是一個逐步發展的過程。電子計算機的應用越來越廣泛，從科學計算擴展到事務管理、過程控制、情報檢索、人工智能等許多領域，對人類的生產和生活產生了巨大的影響。

晶體管正當電子管進入全盛時期，美國貝爾實驗室的物理學家看到電子管在體積、功耗、壽命等方面的侷限性,在客觀需要的推動下着手固體器件的研究。1948年，貝爾實驗室宣佈J.巴丁、W.H.布喇頓和W.B.肖克萊研製成晶體三極管。初期的晶體管是點觸式的，製造比較困難，穩定性較差，但它畢竟是時代的標誌。1957年，貝爾實驗室的D.斯帕克斯發明面結型晶體管，克服了點觸式晶體管的缺點，使得問世不久的晶體管的地位鞏固下來。後來，由於材料工藝方面取得進展，肖克萊早期設想的場效應晶體管也實現了。

晶體管的發明將電子學推向了一個新的階段。電子學在以後取得的許多成就，如集成電路、微處理器和微型計算機等，都是從晶體管發展而來的。

集成電路1958年，美國得克薩斯儀器公司宣佈一種集成的振盪器問世，首次把晶體管和電阻、電容等集成在一塊硅片上，構成了一個基本完整的單片式功能電路。1961年，美國仙童公司宣佈製成一種集成的觸發器。從此，集成電路獲得了飛速的發展。數字集成電路從小規模到中規模、大規模，乃至到超大規模，集成度越來越高，使過去的中小型計算機乃至大型計算機得以微型化，進入了微型計算機的時期。與此同時，模擬集成電路也獲得了發展。

集成電路的發明開創了集電子器件與某些電子元件於一體的新局面，使傳統的電子器件概念發生了變化。這種新型的封裝好的器件體積和功耗都很小，具有獨立的電路功能，甚至具有系統的功能。單片微波集成電路也已進入生產階段。集成電路的發明使電子學進入了微電子學時期，是電子學發展的一次重大飛躍。

衞星通信1957年,蘇聯發射人造地球衞星成功,宣告了空間時代的到來。1958年，美國發射低軌道的“斯科爾”衞星成功,這是第一顆用於通信的試驗衞星。1962年,美國發射中軌道的通信衞星“電星”-Ⅰ號。1963年，美國把“辛康”-Ⅱ號射入距離地球約35800公里的同步軌道，成為第一顆定點同步通信衞星。1964年，藉助定點同步通信衞星首次實現了美、歐、非三大洲的通信和電視轉播。1965年，第一顆商用定點同步衞星投入運行。到1969年，大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衞星，衞星地球站已遍佈世界各國，這些衞星地球站又和本國或本地區的通信網接通。衞星通信經歷10年的發展，終趨於成熟。

用定點同步通信衞星作為中繼站，為洲際信息傳遞提供了一種穩定而又可靠的手段，也解決了幅員廣大的國家的國內通信問題。衞星通信的成功是通信技術，也是電子學的又一次飛躍。

光頻的開拓和利用電子學發展的一個重要方面，表現在電磁波譜利用的擴展上,其中特別是對光頻段(包括紅外和紫外)的開拓和利用上。麥克斯韋在他創立的經典電磁理論中，就已經闡明瞭光的電磁本質。人類對光的認識和利用遠在電子學誕生之前。但是，在激光器發明以前，人們所涉及的，主要是非相干光。

1954年，美國C.H.湯斯用致冷的氨分子作工作物質，研製成世界上第一台微波激射器。稍後,蘇聯Н.Г.巴索夫和 А.М.普羅霍洛夫也研製成以氟化銫為工作物質的微波激射器。1958年，湯斯與A.L.肖洛將微波受激輻射的原理推廣到紅外和光頻段。1960年，美國T.H.梅曼研製成第一台激光器──紅寶石脈衝激光器。此後不到一年，第一個連續激光器──氦氖激光器研製成功。從此，用於信息技術的電磁波譜，從無線電頻段擴展到了光頻段，從而使已經顯得十分擁擠的無線電頻段得到了緩解。

激光器的出現，使英國D.蓋伯在1946年發明的全息攝影技術獲得了新的活力，併為後來的高密度大容量信息存儲技術奠定了基礎。激光器的問世，也導致了大容量光纖通信的出現，使通信技術繼衞星通信之後發生了又一次飛躍，這又是一個重大進展。

應用基礎科學電子學在實踐上所取得的一系列重大成就，和它在應用基礎科學方面所取得的成就是分不開的。

在20～30年代，由於對載波、長途和音頻通信的需要，人們研究電路網絡、模擬濾波器、傳輸線、聽覺和音響等，並取得了重大進展。

在信息論和通信理論方面，信息的度量，信息傳輸(即通信)的有效性和可靠性,是這方面的主要問題。1924年，H.奈奎斯特首先證明了信息傳輸的速率與信道帶寬成正比。1928年，R.V.L.哈特萊證明，信息量與信息長度的對數成正比。可以説，這是關於信息度量的先驅性工作。1948年，C.E.仙農把信息的研究置於統計學的基礎上。他通過引入信息熵的概念，解決了信息的度量問題。他的更重要的功績是給出了信息傳輸能力的極限公式、關於信源和信道編碼的定理，以及關於信息率失真函數的概念。仙農因此成為信息理論的奠基人。在另一個方面，1942年,D.O.諾斯提出了最佳濾波器的概念;1948年，В.А柯捷爾尼科夫創立了最佳接收機的理論;1950年，P.M.烏特沃德提出了模糊函數的概念，他因此成為現代雷達檢測理論的先驅。

控制和系統理論方面的成就對現代電子學的發展產生了很大的影響。從電子學的角度來説，應當特別提到以下幾個早期的事實：儘管J.瓦特早已發明負反饋的速度調製器，到1928年，H.布萊克才從電路角度提出了負反饋的概念；1932年，H.奈奎斯特將此原理用之於電路穩定性分析；1942年，N.維納提出了關於平穩隨機信號的平滑、濾波和預測的理論；1949年，N.維納對機器和動物中的通信與控制問題作了高度的概括，創立了控制論這一新的學科。50年代後期,狀態變量概念的引入,使控制和系統理論有了一個大的飛躍。1957年，R.貝爾曼創立了動態規劃理論;1958年,Л.С.龐特里亞金提出了極大值原理；1960年，R.卡爾曼把維納問題推廣到多變量、非平穩的情形並給出問題的遞推解，他還提出了可控性和可觀性兩個概念。

電子學歷史上所取得的成就是多方面的，每一分支專業或學科都有自己的應用基礎科學的成就。理論與實踐，循環往復，相輔相成，不斷提高，把整個電子學推向一個又一個新的階段。

中國是有着悠久歷史的文明古國，有着光輝燦爛的文化。但是,從1840年的鴉片戰爭以後,中國逐漸淪為半殖民地半封建的國家。中國不僅在政治上遭受壓迫，在經濟上遭受剝削，在科學和教育上也十分落後。這種情況一直持續到1949年中華人民共和國成立。在這一百多年的時間裏，前半段正是電磁學和電工學在西方蓬勃發展、電子學孕育誕生的時期；後半段正是電子學在西方迅速成長並取得輝煌成就的時期。在這一時期，中國卻基本上處於電子學發展的洪流之外。中華人民共和國成立之前，只有少數的幾家修造廠和器材廠，以及少數幾所大學能培養少量電信人才。

電子學和電子工業在中國的創建和發展，是在中華人民共和國成立以後才開始的。

1949～1952年是中國的經濟恢復時期。這段時期的主要成就表現為：國家成立了電信工業管理局，統一領導全國的電信工業；改造了接管過來的幾家工廠，並很快製造出一批無線電台和軍用步談機，在中國歷史上第一次能成套地生產接收電子管；一批電子學科技工作者從海外歸來參加國家建設。

1953～1957年是中國第一個五年計劃時期。這段時期的主要成就是：建設了一批以元件器件、通信和雷達為重點的骨幹企業，研製和生產了一批廣播設備、通信電台、軍用雷達；在十多所高等院校中成立了無線電系科，創建了專業性的研究院和研究所；第一次制訂了發展電子科學的十二年規劃。

1958～1965年的主要成就是：完成了為研製原子彈和導彈以及進行試驗所需的電子配套工程；研製並生產了一批軍用雷達、電台和其他通信裝備；建成了1000千瓦中波廣播發射台，10信道電視中心和10千瓦黑白電視台；建立了郵電科學研究院、電子工業研究院及其所屬研究機構。

1966～1976年是動亂的十年，中國在極其困難的條件下獲得的進展主要有：第一顆人造地球衞星發射成功；第一台集成電路計算機研製成功；自行設計和製造的地球站建成；25米天線的巨型跟蹤雷達投入使用；第一部巨型相控陣雷達進行試運轉。

1977年以來,中國的電子學進入了新的振興時期,獲得了許多重大成就。其中有代表性的成就是：成功地發射了一顆實驗定點通信同步衞星；建成了全國衞星測控網；研製成千萬次向量計算機和億次計算機；研製成16千位隨機存儲器和8位微處理器;建成了京滬杭1800路中同軸電纜通信系統；光纖通信系統相繼在上海、天津和武漢併入市話網，達到了實用階段；初步建成了全國電視網、電視發射台和差轉枱，總數已達5600餘座；在國家科學技術委員會的領導下，制訂了發展電子科學技術的十年規劃。

現代電子學是一個龐大的專業和學科體系，在這個體系裏包含有眾多的分支。它們有機地結合在一起，形成了電子學的統一整體。這些分支，按性質可劃分為四大類,即：系統與大系統技術；基礎理論與基礎技術;元件、 器件、 材料與工藝；交叉專業和學科類。現代電子學猶如一株枝葉繁茂的大樹，深深地紮根於應用物理、應用化學、應用數學等基礎學科的沃土之中。

系統與大系統技術屬於這一類的分支學科有：通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、計算機、能電子系統，以及綜合多種系統技術的大型電子系統。其共同特點是用電子學方法實現具有某一種或多種社會和軍事應用的功能。

通信是以電子學方法，實現從點到點（人與人，人與機器或機器與機器）的信息傳輸的原理、技術和系統。廣播是將語言、音樂和活動的與靜止的圖像、文字向公眾播發,並由公眾接收、錄放的原理、技術和系統。電視是圖像和文字以及與之伴隨的聲音等的攝取、傳輸、再現、播發、接收、錄放的原理、技術和系統。雷達是利用物體對電磁波的散射現象以發現飛機、導彈、船艦等目標，並獲取這類目標信息的原理、技術和系統。遙感技術主要是在空中利用地物、雲層等的輻射電磁波，觀察地面和大氣中的現象，從而取得地理、地貌、地質、植被、水文、氣象等有用信息，也可用於軍事。遙感技術也可在地面上應用。導航是以電子學的方法確定船艦、飛機、車輛等的位置並引導其向目的地進發的原理、技術和系統。電子對抗是敵對雙方利用電子手段進行偵察和干擾的原理、技術和系統。測量和監測系統不僅廣泛用於電子科學技術，而且電子測量和檢測技術手段還廣泛用於各行各業，包括電量和非電量測量。

計算機是用電子學方法實現數值計算、邏輯作業、數據處理、過程控制、信號與信息處理、計算機輔助設計、專家系統等的原理、技術和系統，包括各種計算機硬件和軟件等。計算機是電子學中最大的一個分支學科，並正在逐步向自成體系的單獨的專業和學科發展。能電子系統是指用電子手段進行能和動力的作業，如用太陽電池發電，用微波、高頻、激光、超聲波等進行處理和加工，利用電子計算機調度和微處理器控制節約電能等。

大型電子系統是多種具有不同功能的電子系統有機地結合起來，協調地運行，形成具有信息反饋和控制功能的龐大複雜的系統。例如，綜合業務數字網環球空間監視系統，航天測控系統、指揮-控制-通信系統等。

基礎理論和基礎技術屬於這一類的分支學科有：電子線路與網絡分析、微波、天線、電波傳播、測量、電源、顯示技術、信號處理、 信息論、 自動控制原理、可靠性理論等。它們是構成功能性電子系統所需的各種技術手段或基礎理論。

電子線路與網絡是由電子元件和電子器件組成的功能性電子單元。電子線路有線性的、非線性的、模擬式、脈衝式和數字式幾大類，能實現濾波、頻率平衡、振盪、放大、調製、變頻、脈衝形成、開關、移位、記憶、計數等多種功能。微波技術是有關分米波、釐米波、毫米波等的傳輸、輻射、測量和應用等的理論和技術。天線是將約束在傳輸線內的電磁能轉換成向指定空間輻射的電磁波或相反過程的理論、技術與裝置。電波傳播是有關電磁波在對流層、電離層、地表面、水下或其他均勻的與不均勻的媒體中傳播時產生吸收、反射、折射、繞射等的理論、方法和實驗研究。測量是指在極寬電磁波譜上電磁參量的測量，包括電子元件、器件、材料、線路和電子裝置的基本參量的測量，各種電子信號的特徵參量和電磁能的測量，網絡參數的測量以及與這些測量有關的理論、技術和裝置。

電源是用電子方法使化學能、熱能、核能、太陽能、交流電能、直流電能、高頻能、微波能、超聲能、激光能等相互轉變，以供各種用途。

顯示技術是將信息以文字、表格、圖形等方式提供給信息收受者的技術，包括靜態的和動態的。信號處理是將語言、圖像、雷達等電信號或其他電測非電信號進行諸如過濾、平滑、壓縮、變換、重構之類加工過程的理論和技術，以及這些理論和技術在電子和非電子領域中的應用。信息論研究有關信息的度量、 編碼、 傳輸、處理的一般性理論，是關於廣義通信系統的概括性理論。自動控制是使受控對象達到指定狀態或預定功能的理論和技術。它的理論部分已逐漸上升為控制論和系統工程理論，其技術部分與電子技術相結合形成具有各種功能的自動控制系統。可靠性理論是有關電子元件、器件、部件、電子裝置，乃至電子系統或大系統的可靠性的理論，以及提高可靠性的各種具體技術方法。

元件、器件與材料、工藝屬於這一類的主要分支學科有：固態電子器件與集成電路、真空電子學、電子元件、電子材料及有關生產技術等。這一類分支學科可以説是電子學的物質基礎。

半導體與集成電路是研究半導體性能並加以利用的一門科學技術，包括半導體物理、半導體工藝、半導體分立器件和各類集成電路器件。真空電子學是研究帶電粒子（電子、離子）在真空或氣體中運動時與場和物質相互作用規律並加以利用的一門科學技術，包括電子物理、電子管工藝和各種類型的電子管等。電子元件是構成電子設備的基本單元，通常分為有源元件和無源元件兩類。但是,電子元件一般指無源元件。電子材料是研究各種材料用於製備電子元件、器件的一門科學技術，包括一般金屬材料、高能半導體材料、介質材料、陶瓷材料、磁性材料、高分子材料、鐵電材料等。生產技術包括各種機械、電氣、電子生產工藝與設備，如真空設備、電子束與離子束加工設備、加熱設備、焊接設備、淨化設備、例行試驗設備等。

交叉專業和學科類電子學與其他學科交叉滲透，又形成了許多新的分支學科。屬於這一類的主要有：量子電子學、核電子學、空間電子學、生物與醫學電子學、射電天文學與雷達天文學等。

量子電子學是利用物質內部量子系統能級間的受激輻射現象，放大或產生相干電磁波，並研究這一過程的應用的學科。按習慣説，激光技術也是量子電子學的主要內容。

核電子學主要研究核科學、核技術和高能物理實驗中有關核輻射和粒子探測的電子學技術，研究核爆炸和外層空間輻射對電子系統的影響，以及抗輻射加固技術等。

空間電子學是電子學與空間科學技術的結合。

生物與醫學電子學既是電子學與生物學、醫學的結合，也是電子學在生物學和醫學中的應用。

射電天文學利用天體或星際空間的空間自然輻射研究天體和天文現象；雷達天文學則用雷達方法研究太陽和太陽系的近地行星。

電子機械工程各種電子設備、裝置和元件、器件中都包含有大量的機械技術。這種機械技術必須滿足電子技術的獨特要求，而有別於一般機械工程。

電子學是發展速度很快的學科之一。電子器件從電子管的發明到晶體管的發明經歷了44年，而從晶體管發展到集成電路只用了10年。集成電路問世後，20多年間，已從小規模集成發展到中規模集成和大規模集成，進而發展到超大規模集成,並出現了從單位、4位一直到32位的微處理器。

通信技術也經歷了多次劃時代的進展。從電子學誕生以前的架空明線發展到電子學誕生初期的無線電；從長、中、短波擴展到超短波、微波，進而擴展到紅外與可見光頻段。與此同時，超長波也獲得了應用；從微波中繼到同軸電纜，直至現代的同步衞星中繼，以至最近的光纖通信。多路通信以電話來説，一個頻道已可通萬路模擬電話和上千路的數字電話。通信的範圍也在不斷地擴大，從國內擴展到國際，從洲際擴展到全球，從近地空間發展到星際深空。

軍用雷達的作用距離已增加了2～3個量級，對無應答器的不合作目標最遠可達上萬公里，對有應答器的合作目標可達幾千萬公里以上。幾乎所有環繞地球的軌道目標都已置於雷達的監視之下。雷達的測量精度也提高了2～3個量級,精密跟蹤雷達的測距精度已達米量級,測角精度已達毫弧量級。雷達的應用範圍從軍事擴展到氣象、測繪、民航、水陸交通、城市建設和環境保護等民用各部門。

電子學還是應用和滲透範圍很廣的學科之一。電子學用於工業，極大地提高了現代工業的勞動生產率。電子技術與機械相結合產生了各種類型的數控機牀、機械手和機器人，出現了由它們組合起來的全自動化的和柔性的生產線。電子學用於生產檢驗，可以有效地控制產品質量，指示產品設計和生產的改進方向。電子學用於油田開發，可以提高找油的成功率，並能科學地組織開採。電子學用於電力生產的管理，可以實現電力的合理調配，提高生產的安全性。電子學用於交通，可以引導船隻、飛機安全航行。

電子學用於農業，也給農業帶來了很大好處。氣象對於農業至關重要，用無線電和雷達的方法可以蒐集局部地區的氣象資料，專用的氣象衞星可以定期播發全球各地區的大範圍雲圖，通信網用於傳遞氣象情報，計算機用於氣象情報處理並作出預報。利用遙感數據，可以獲得土壤濕度、作物長勢、病蟲害等信息。電子學還可以用於作物的育種催芽和糧食的烘乾加工。

電子學用於軍事，提高了各種武器裝備的性能，並深刻地影響着軍事行為的方式。在現代武器裝備中，電子設備所佔比重不斷增加。電子技術還是情報偵察、通信聯絡、分析決策、指揮控制等不可缺少的手段。正因為如此，一種無形的戰爭──電子戰成了引人注目的戰爭形式。

電子學為科學研究提供了強有力的手段。天文學家利用巨型射電望遠鏡,把觀測範圍擴大到200億光年的宇宙深處；地理學家用遙感的方法發現了撒哈拉沙漠浸沒了的古河道；生物學家利用信息論的方法解釋了生物遺傳的奧秘──遺傳密碼；物理學家利用高靈敏度的天線接收系統發現了2.7K的宇宙背景輻射；化學家利用超高壓電子顯微鏡已使觀察分辨能力達到分子水平。各行各業的科學工作者，利用聯機檢索系統和全球通信網可以從世界浩如煙海的資料庫中迅速查詢所需的資料。

電子學用於教育，給教育的現代化提供了許多新的技術。收音機、錄音機、電視機、錄像機作為教育手段已相當普遍，電子語言教室、程序教學機器、電視教育衞星已相繼問世。由於知識的迅速更新和增加，終身教育的概念已經形成，以電子技術為核心的開放式學校在整個教育系統中佔有的比重將會越來越高。

電子學用於醫學，出現了各種類型的電子監護系統、物理治療系統、輔助診斷系統、以至醫學專家系統。X射線斷層成像技術是70年代的重要科學進展之一，所採用的主要技術就是圖像處理技術和高速大容量計算機。電子學進入家庭，減輕了人們的家務勞動，使家庭生活更加豐富多彩。

人類社會正進入一個新的發展階段，它是以信息的急劇膨脹為主要特徵的階段，一場以信息技術為主流的新的技術革命正在興起。推動這一轉變的正是電子學的最新成就,主角是微電子技術。各種信息作業,無一不借助於電子科學技術來完成。人們今天廣泛談論的三“A”革命（即工廠自動化、辦公室自動化、家庭自動化）以及三“C”革命（即通信、計算機、控制）,也無一不是建立在電子學的基礎之上的。正因為如此，許多國家把發展電子學，特別是微電子技術，作為自己的重要國策之一。

計算機是新技術革命的一支主力，也是推動社會向現代化邁進的活躍因素。計算機科學與技術是第二次世界大戰以來發展最快、影響最為深遠的新興學科之一。計算機產業已在世界範圍內發展成為一種極富生命力的戰略產業。

現代計算機是一種按程序自動進行信息處理的通用工具。它的處理對象是信息，處理結果也是信息。利用計算機解決科學計算、 工程設計、 經營管理、過程控制或人工智能等各種問題的方法，都是按照一定的算法進行的。這種算法是定義精確的一系列規則，它指出怎樣以給定的輸入信息經過有限的步驟產生所需要的輸出信息。算法的特殊表示稱為程序。信息處理的一般過程，是計算機使用者針對待解決的問題事先編制程序並存入計算機內，然後利用存儲程序指揮、控制計算機自動進行各種基本操作，直至獲得預期的處理結果。計算機自動工作的基礎在於這種存儲程序方式，其通用性的基礎則在於利用計算機進行信息處理的共性方法。

現代計算機的誕生和發展現代計算機問世之前，計算機的發展經歷了機械式計算機、機電式計算機和萌芽期的電子計算機三個階段。

早在17世紀，歐洲一批數學家就已開始設計和製造以數字形式進行基本運算的數字計算機。1642年，法國數學家B.帕斯卡採用與鐘錶類似的齒輪傳動裝置，製成了最早的十進制加法器。1673年，德國數學家G.W.萊布尼茲製成的計算機，進一步解決了十進制數的乘、除運算。英國數學家C.巴貝奇在1822年製作差分機模型時提出一個設想，每次完成一次算術運算將發展為自動完成某個特定的完整運算過程。1834年，巴貝奇設計了一種程序控制的通用分析機。這台分析機雖然已經描繪出有關程序控制方式計算機的雛型，但限於當時的技術條件而未能實現。

巴貝奇的設想提出以後,一百多年期間,電磁學、電工學、電子學不斷取得重大進展，在元件、器件方面接連發明瞭真空二極管和真空三極管。在系統技術方面,相繼發明了無線電報、電視和雷達。所有這些成就為現代計算機的發展準備了技術和物質條件。與此同時，數學、物理也相應地蓬勃發展。到了20世紀30年代，物理學的各個領域經歷着定量化的階段，描述各種物理過程的數學方程，其中有的用經典的分析方法已很難解決。於是，數值分析受到了重視，研究出各種數值積分，數值微分，以及微分方程數值解法，把計算過程歸結為巨量的基本運算，從而奠定了現代計算機的數值算法基礎。

社會上對先進計算工具多方面迫切的需要，是促使現代計算機誕生的根本動力。20世紀以後，各個科學領域和技術部門的計算困難堆積如山，已經阻礙了學科的繼續發展。特別是第二次世界大戰爆發前後，軍事科學技術對高速計算工具的需要尤為迫切。在此期間，德國、美國、英國都在進行計算機的開拓工作，幾乎同時開始了機電式計算機和電子計算機的研究。

德國K.朱賽最先採用電氣元件製造計算機。他早在1941年製成的全自動繼電器計算機Z－3，已具備浮點記數、二進制運算、數字存儲地址的指令形式等現代計算機的特徵。在美國，1940～1947年期間也相繼製成了繼電器計算機MARKⅠ、MARKⅡ、ModelⅠ、ModelⅤ等。不過，繼電器的開關速度大約為百分之一秒，使計算機的運算速度受到很大限制。

電子計算機的開拓過程，經歷了從製作部件到整機、從專用機到通用機、從“外加式程序”到“存儲程序”的演變。1938年，美籍保加利亞學者J.阿塔納索夫首先製成了電子計算機的運算部件。1943年，英國外交部通信處製成了“巨人”電子計算機。這是一種專用的密碼分析機，在第二次世界大戰中得到了應用。1946年 2月，美國賓夕法尼亞大學莫爾學院製成的大型電子數字積分計算機(ENIAC)，最初也專門用於火炮彈道計算,後經多次改進而成為能進行各種科學計算的通用計算機。這台完全採用電子線路執行算術運算、邏輯運算和信息存儲的計算機，運算速度比繼電器計算機快1000倍。這就是人們常常提到的世界上第一台電子計算機。但是，這種計算機的程序仍然是外加式的，存儲容量也太小，尚未完全具備現代計算機的主要特徵。再一次的重大突破是由數學家J.諾伊曼領導的設計小組完成的。1945年 3月，他們發表了一個全新的存儲程序式通用電子計算機方案──電子離散變量自動計算機(EDVAC)。隨後於1946年6月，諾伊曼等人提出了更為完善的設計報告《電子計算機裝置邏輯結構初探》。同年7～8月間，他們又在莫爾學院為美國和英國二十多個機構的專家講授了專門課程《電子計算機設計的理論和技術》，推動了存儲程序式計算機的設計與製造。1949年，英國劍橋大學數學實驗室率先製成電子離散時序自動計算機(EDSAC);美國則於1950年製成了東部標準自動計算機(SFAC)等。至此，電子計算機發展的萌芽時期遂告結束，開始了現代計算機的發展時期。

在創制數字計算機的同時，還研製了另一類重要的計算工具──模擬計算機。物理學家在總結自然規律時，常用數學方程描述某一過程；相反，解數學方程的過程，也有可能採用物理過程模擬方法。對數發明以後，1620年製成的計算尺，已把乘法、除法化為加法、減法進行計算。J.C.麥克斯韋巧妙地把積分（面積）的計算轉變為長度的測量，於1855年製成了積分儀。19世紀數學物理的一項重大成就傅里葉分析，對模擬機的發展起到了直接的推動作用。19世紀後期和20世紀前期，相繼製成了多種計算傅里葉係數的分析機和解微分方程的微分分析機等。但是當試圖推廣微分分析機解偏微分方程和用模擬機解決一般科學計算問題時，人們逐漸認識到模擬機在通用性和精確度等方面的侷限性，並將主要精力轉向了數字計算機。

電子數字計算機問世以後，模擬計算機仍然繼續有所發展，並且與數字計算機相結合而產生了混合式計算機。模擬機和混合機已發展成為現代計算機的特殊品種，即用在特定領域的高效信息處理工具或仿真工具。

20世紀中期以來，計算機一直處於高速度發展時期，計算機由僅包含硬件發展到包含硬件、軟件和固件三類子系統的計算機系統。計算機系統的性能-價格比,平均每10年提高兩個數量級。計算機種類也一再分化，發展成微型計算機、 小型計算機、 通用計算機（包括巨型、大型和中型計算機），以及各種專用機（如各種控制計算機、模擬－數字混合計算機）等。計算機技術面貌發生變化的主要因素，是計算機器件、軟件和外圍設備的迅速改進和革新。

計算機器件從電子管到晶體管，再從分立元件到集成電路以至微處理器，促使計算機的發展出現了三次飛躍。

在電子管計算機時期（1946～1959），計算機主要用於科學計算。主存儲器是決定計算機技術面貌的主要因素。當時，主存儲器有水銀延遲線存儲器、陰極射線示波管靜電存儲器、磁鼓和磁心存儲器等類型，通常按此對計算機進行分類。

到了晶體管計算機時期（1959～1964），主存儲器均採用磁心存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的輔助存儲器。不僅科學計算用計算機繼續發展，而且中、小型計算機，特別是廉價的小型數據處理用計算機開始大量生產。

1964年,在集成電路計算機發展的同時,計算機也進入了產品系列化的發展時期。半導體存儲器逐步取代了磁心存儲器的主存儲器地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，並且開始普遍採用虛擬存儲技術。隨着各種半導體只讀存儲器和可改寫的只讀存儲器的迅速發展，以及微程序技術的發展和應用，計算機系統中開始出現固件子系統。

70年代以來，計算機用集成電路的集成度迅速從中、小規模發展到大規模、超大規模的水平，微處理器和微型計算機應運而生，各類計算機的性能迅速提高。隨着字長4位、8位、16位和32位的微型計算機相繼問世和廣泛應用，對小型計算機、通用計算機和專用計算機的需求量也相應增長了。當微型計算機的性能提高到過去小型計算機的程度時，32位超級小型計算機跨入了通用計算機的中、低檔範圍。一般通用大型計算機的運算速度達到千萬次每秒，主存儲器容量達幾百萬至上千萬字節，單台磁盤存儲器容量高達幾億至幾十億字節，而巨型計算機高達十億次每秒以上，並進入百億次每秒的超高速度。

微型計算機在社會上大量應用後，一座辦公樓、一所學校、一個倉庫常常擁有數十台以至數百台計算機。實現它們互連的局部網隨即興起，進一步推動了計算機應用系統從集中式系統向分佈式系統的發展。

微處理器和微型計算機工作可靠，使用簡便，因而促進了計算機系統功能的分散化，而且廣泛滲透到各種工業產品中。

從計算機系統的成本來看，50年代中期，軟件不到總成本的20%，70年代後期便上升到50%以上。

在電子管計算機時期，一些計算機配置了彙編程序和子程序庫，科學計算用的高級語言 FORTRAN初露頭角。在晶體管計算機階段,事務處理的COBOL語言、科學計算機用的 ALGOL語言和符號處理用的LISP等高級語言開始進入實用階段。操作系統初步成型，使計算機的使用方式由手工操作改變為自動作業管理。進入集成電路計算機發展時期以後，在計算機中形成了相當規模的軟件子系統，高級語言種類進一步增加,操作系統日趨完善,具備批量處理、分時處理、實時處理等多種功能。數據庫管理系統、通信處理程序、網絡軟件等也不斷增添到軟件子系統中。軟件子系統的功能不斷增強，明顯地改變了計算機的使用屬性，使用效率顯著提高。

60年代中期以後，在軟件子系統發展方面出現了複雜程度高、研製週期長和正確性難於保證的三大特徵，從而形成難以控制軟件發展的局面，出現了所謂的“軟件危機”。為了克服這種危機，人們一方面着手從理論上探討程序的正確性和軟件的可靠性問題，另一方面致力於使軟件研製從“技藝”方式轉向“工程”方式，即試圖建立和應用牢固的工程準則，以期得到可靠的和高效的軟件。軟件工程實現的途徑，是儘量讓計算機去自動完成軟件研究與維護中的工作。為此，研製成各種軟件工具，並適當地使其配備成套，形成軟件支援環境。

在現代計算機中，外圍設備的價值一般已超過計算機硬件子系統的一半以上，其技術水平在很大程度上決定着計算機的技術面貌。外圍設備技術的綜合性很強，既依賴於電子學、機械學、光學、磁學等多門學科知識的綜合，又取決於精密機械工藝、電氣和電子加工工藝以及計量的技術和工藝水平等。外圍設備包括輔助存儲器和輸入輸出設備兩大類。輔助存儲器包括磁盤、磁鼓、磁帶、激光存儲器、海量存儲器和縮微存儲器等；輸入輸出設備又分為輸入設備、輸出設備、轉換設備、模式信息處理設備和終端設備。在這些品種繁多的設備中，對計算機技術面貌影響最大的是磁盤、終端設備、模式信息處理設備和轉換設備等。

磁盤存儲器自50年代後期問世以來，存儲密度每三年大體上提高一倍。從晶體管計算機時期開始，磁盤存儲器就開始佔據輔助存儲器的主要位置，不僅促使計算機性能-價格比不斷提高,而且推動計算機功能和計算機應用領域不斷擴展。

終端設備包括輸入設備、輸出設備和數據通信設備等,能提高計算機資源利用率，改善人-機聯繫，提供人與人之間通信的新手段。終端設備的發展推動計算機應用從單機、多機發展到網絡應用的新階段。

計算機直接輸入輸出的信息形式，從符號擴展到文字、圖形、圖像、聲音和其他各種物理量。這是靠模式信息處理設備和轉換設備實現的。各種模擬的物理量通過模擬-數字轉換設備轉換為數字量送入計算機,計算機輸出的數字量再通過各種數字－模擬轉換設備轉換為模擬量。這是過程控制計算機系統不可缺少的環節。實際上，轉換設備和各種智能化接口，是開拓計算機過程控制、智能機器人等應用領域的重要手段。隨着文字、圖形、圖像、聲音的識別和處理技術的進展，創造具有高度智能的計算機終將成為可能，從而推動計算機的技術面貌發生新的鉅變。

新一代計算機（又稱第五代計算機）是把信息採集、存儲處理、通信和人工智能結合在一起的智能計算機系統。它不僅能進行一般信息處理，而且能面向知識處理，具有形式化推理、聯想、學習和解釋的能力，將能幫助人類開拓未知的領域和獲得新的知識。新一代計算機的研究領域大體上包括人工智能、系統結構、軟件工程和支援設備，以及對社會的影響等。人工智能的應用，將是未來信息處理的主流。因此,新一代計算機的發展,必將與人工智能、知識工程和專家系統等的研究緊密相聯，併為其發展提供新的基礎。新一代計算機的系統結構,將突破傳統的諾伊曼機器的概念，實現高度並行處理。這方面的研究課題包括邏輯程序設計機、函數機、相關代數機、抽象數據型支援機、 數據流機、 關係數據庫機、分佈式數據庫系統、分佈式信息通信網絡等。新一代計算機的發展必然引起新一代軟件工程的發展，極大地提高軟件的生產率和可靠性。為了改善軟件和硬件系統的設計環境,將研製各種智能化的支援系統,包括智能程序設計系統、知識庫設計系統、智能超大規模集成電路輔助設計系統，以及各種智能應用系統和集成專家系統等。在新一代計算機硬件方面,將會出現一系列新的技術,如先進的微細加工和封裝測試技術、砷化鎵器件、約瑟夫遜結器件、光學器件、光纖通信技術以及智能輔助設計系統等。新一代計算機還將推動計算機通信技術的發展，使計算機網所擁有的知識庫和知識處理能力實現共享，促進綜合業務數字網絡的發展和通信業務進一步多樣化，並使多種多樣的通信業務集中於統一的系統之中，更有力的促進社會信息化。

計算技術在中國的發展在人類文明發展的歷史上，中國曾經在早期計算工具的發明創造方面寫過光輝的一頁。遠在商代，中國就創造了十進制記數方法，領先於世界千餘年。到了周代，發明了當時最先進的計算工具──算籌。這是一種用竹、木或骨製成的顏色不同的小棍。計算每一個數學問題時,通常編出一套歌訣形式的算法,一邊計算,一邊不斷地重新布棍。中國古代數學家祖沖之，就是用算籌計算出π值在 3.1415926和3.1415927之間。這一結果比西方早1千年。

珠算盤是中國的又一獨創，也是計算工具發展史上的第一項重大發明。這種輕巧靈活、攜帶方便、與人民生活關係密切的計算工具，最初大約出現於漢朝，到元朝時漸趨成熟。珠算盤不僅對中國經濟的發展起過有益的作用，而且傳到日本、朝鮮、東南亞等地區，經受了歷史的考驗，至今仍在使用。

中國發明創造的指南車、 水運渾象儀、 記裏鼓車、提花機等,不僅對自動控制機械的發展有卓越的貢獻,而且對計算工具的演進產生了直接或間接的影響。例如,張衡製作的水運渾象儀，可以自動地與地球運轉同步，後經唐、宋兩代的改進，遂成為世界上最早的天文鐘。記裏鼓車則是世界上最早的自動計數裝置。提花機原理對計算機程序控制的發展有過間接的影響。中國古代用陽（—）陰(--)兩爻構成八卦，也對計算技術的發展有過直接的影響。G.W.萊布尼茲寫過研究八卦的論文，系統地提出了二進制算術運算法則。他認為，世界上最早的二進制表示法就是中國的八卦。

經過漫長的沉寂，中華人民共和國成立後，中國計算技術邁入了新的發展時期,先後建立了研究機構,在高等院校建立了計算技術與裝置專業和計算數學專業，並且着手創建中國計算機制造業。

1958年和1959年，中國先後製成第一台小型和大型電子管計算機。60年代中期，中國研製成功一批晶體管計算機,並配製了ALGOL等語言的編譯程序和其他系統軟件。60年代後期，中國開始研究集成電路計算機。70年代，中國已批量生產小型集成電路計算機。若干種百萬次每秒以上的大型集成電路計算機相繼研製成功，並開展了微型計算機的研製工作。這些計算機系統包含有操作系統、多種程序語言的編譯程序等比較豐富的系統軟件。80年代以後，中國開始重點研製微型計算機系統並推廣應用；在大型計算機、特別是巨型計算機技術方面也取得了重要進展；建立了計算機服務業，逐步健全計算機產業結構。

在計算機科學與技術的研究方面，中國在有限元計算方法、數學定理的機器證明、漢字信息處理、計算機系統結構和軟件等方面都有所建樹。在計算機應用方面，中國在科學計算與工程設計領域取得了顯著成就。在有關經營管理和過程控制等方面，計算機應用研究和實踐也日益活躍。

中國計算機事業經過30多年的發展，已形成一支較大的科研、生產、應用和教學隊伍，擁有上百個計算機制造廠、外圍設備製造廠和研究機構。開設計算機專業的高等院校在百所以上。

計算機科學與技術是一門實用性很強、發展極其迅速的面向廣大社會的技術學科，它建立在數學、電子學（特別是微電子學）、磁學、光學、精密機械等多門學科的基礎之上。但是，它並不是簡單地應用某些學科的知識，而是經過高度綜合形成一整套有關信息表示、變換、存儲、處理、控制和利用的理論、方法和技術。

計算機科學是研究計算