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信息技术发展 信息的概念 什么是信息 信息：广义地说，信息就是消息，一切存在都有信息 对人类而言，人的五官生来就是为了感受信息的，它们是信息的接收器，它们所感受到的一切，都是信息。然而，大量的信息是我们的五官不能直接感受的，人类正通过各种手段，发明各种仪器来感知它们，发现它们 人们一般说到的信息多指信息的交流。 信息本来就是可以交流的，如果不能交流，信息就没有用处了。信息还可以被储存和使用。你所读过的书，你所听到的音乐，你所看到的事物，你所想到或者做过的事情，这些都是信息。 信息的十大基本特征 可量度: 信息可采用某种度量单位进行度量，并进行信息编码。如现代计算机使用的二进制 可识别:信息可采取直观识别、比较识别和间接识别等多种方式来把握。 可转换:信息可以从一种形态转换为另一种形态。如自然信息可转换为语言、文字和图像等形态，也可转换为电磁波信号或计算机代码。 可存储:信息可以存储。大脑就是一个天然信息存储器。人类发明的文字、摄影、录音、录像以及计算机存储器等都可以进行信息存储。 可处理:人脑就是最佳的信息处理器。人脑的思维功能可以进行决策、设计、研究、写作、改进、发明、创造等多种信息处理活动。计算机也具有信息处理功能。 可传递:信息传递是与物质和能量的传递同时进行的。语言、表情、动作、报刊、书籍、广播、电视、电话等是人类常用的信息传递方式。 可再生:信息经过处理后，可以其他形式再生。如自然信息经过人工处理后，可用语言或图形等方式再生成信息。输入计算机的各种数据文字等信息，可用显示、打印、绘图等方式再生成信息。 可压缩:信息可以进行压缩，可以用不同的信息量来描述同一事物。人们常常用尽可能少的信息量描述一件事物的主要特征。 可利用:信息具有一定的实效性和可利用性。 可共享:信息具有扩散性，因此可共享。 人类信息活动的五次变革 整个人类的进化史，同时也是一部人类信息活动的演进史 五次巨大的变革 语言：标志着人类信息活动的范围和效率的飞跃性提高，人类的信息活动从具体走向抽象。文字打破了时间和空间的限制，使信息可以传得更久，传得更远 文字：实现了信息的共享 印刷术：印刷术的发明使人类信息传递的速度和范围急剧地扩展，人类信息的存储能力进一步加强，并初步实现了广泛的信息共享 利用电磁波：电信革命的实现，是人类划时代的进步 计算机和网络技术：新型计算机与网络技术的出现，以及与通信技术的结合，使信息处理第一次达到了一体化和自动化 早期的信息传播 喇叭：最早的传声工具，至今还可以见到 击鼓传声：在公元前35000年开始有鼓，用来传送消息；各个城市的鼓楼 烽火台：在中国古代用于传递军事情报，利用火与烟传递信息：狼烟 长跑:马拉松长跑就是为了纪念一位2000多年前为传送捷报而牺牲的英雄设立的。公元前490年，希腊军队在马拉松平原击退波斯王大流士一世军队的入侵，传令兵菲迪皮茨一口气从马拉松镇跑到首都雅典报告喜讯，当他跑完42195米的路程，赶到雅典广场说完“我们胜利了”之后，就精疲力竭，倒地而死 早期的信息传播 驿站:传递书信、文书、奏报等 风筝：风筝在古代是传递消息和作为侦察的用具 信鸽和信猴：在通信技术高度发达的今天，信鸽仍有用武之地；瑞士军队训育出传递集成电路芯片的信鸽，保密性极高；信鸽甚至有可能成为特种通信兵。 灯塔：用于指引航向，公元前280年古埃及人在亚历山大城对面的法罗斯岛上修筑的法罗斯灯塔被誉为古代世界七大奇观之一；到1984年初，包括其他发光航标在内，灯塔总数已超过55000。 通信塔：18世纪，法国利用塔顶上竖起一根木柱和木柱上安装的水平横杆组成的构形传递信息 旗语：主要用于古代航海船只之间的通信 信息科学技术的作用 信息科学技术：信息社会的基石 自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源 信息科学技术的发展改变了人们的生产、生活方式，真正实现了“天涯若比邻”的理想 社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。 实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机 1946年第一台计算机：ENIAC 信息科学技术的作用 小型化 价格急剧下降 功耗降低 故障率降低 其次，统计数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律 电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP） 一般有一个近似的关系 REI3RGDP 根据IMF RIC1.7REI REI3RGNP 几乎所有的传统产业与信息技术结合，用电子信息技术进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春 全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量 157亿度/年 对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量 139亿度/年 装备的更新换代都基于信息技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于信息技术的“智慧”程度和使用程度 信息技术对国家安全与国防建设的作用 武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系 在农业社会：大刀长矛等冷兵器； 在工业化社会：枪、炮等热兵器 信息化社会：电子信息产品成为武器的一个组成元，电子战、信息战 电子信息产业的战略重要性 现代信息技术面临的一些问题和需求 面临的问题 人类正在（或已经）进入“ 信息化社会”，或者“ 数字化社会”。 信息爆炸，信息存量指数递增。处理能力的增长远远赶不上信息量的增长。 信息不但在量上呈爆炸趋势，而且信息结构越来越复杂，处理越来越困难。 信息越来越多，但是信息的利用率越来越低，人们被埋没的数据和信息的海洋之中，不知所措。 Internet的发展开拓了人类的“ 视界”和互相交流的范围。但是其无序的成长和恶意产生的“垃圾信息”给网上信息的利用带来很大的麻烦和困难。 面临的问题 海量信息分布在广阔的网上，各节点间为了使用它们必须相互通信，而且（活的）人参与其中，使问题更加复杂化。 信息的安全问题：国家安全、银行/金融系统的安全、个人通信的安全、 二、促进信息科学技术发展的需求 为了解决上述问题，要求： 在物理实现上不断探求新思想、新原理和新方法，使各种信息领域元器件的性能不断提高。电子技术 计算机、网络等的体系结构和处理逻辑不断改进，发明和设计出各种新型的硬件系统。 创造优良的信息处理方法和高效的计算方法，以便不断提高系统的处理效率。 必须不断创新。使软件的理论和技术迅速改进，设计和实现切实可用的软件系统，包括各种系统软件、中间件、应用软件。 二、促进信息科学技术发展的需求 5. 信息要求在广阔的范围内快速、可靠、安全、随时随地地传输通信技术 6. 要为不断增长的、海量的、各种类型的信息提供快速、可靠和安全的存储设备存储技术 7. 研究人的视觉、听觉、生理、心理等机制，以及大脑结构和功能，在计算机上进行模拟，制造出机器感知和人工智能，使信息处理技术更加智能化智能科学 . 以上在社会信息化中提出的种种高新技术问题都是我院老师和高年级的同学们正在学习和研究的，也就是本课程要学习的基本内容， 信息科学技术的主要内容 信息科学技术的研究内容 研究信息的获取（收集）、表示（组织）、存储、处理、传输（包括发送、路由、接收）、利用及其数学/物理/生物学理论的一门科学技术。 它是一门集数学、物理学、电子学、通信技术、计算机科学技术、智能科学技术以及控制理论与技术等于一体的交叉学科。 信息科学技术的研究内容 信息获取的研究包括：感知、采集、融合等 信息表示的研究包括： 表示形式：物理表示/生化表示/符号表示 表示形态：静态/动态 表示介质：声、电、光、磁、量子、纸、其它视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等可感知物质 组织形式：简单信息/复杂信息 信息的存储根据表示介质的不同而有不同的存储形式 信息科学技术的研究内容 信息处理的内容十分广泛，包括：放大、去噪、去伪、滤波、排序、分类、聚类、检索、计算、转换、识别、判定、分析、综合、 信息传输的研究包括协议、编码（打包）、调制、发送、路由、接收、解码（解包）、解调、交换、通信的带宽、误码率、可靠性、安全性和质量（QOS）等等。 信息利用的范围也十分广泛，它是比“ 信息的处理”更高层次的信息应用。包括：控制、决策、 预测、估计、优化（寻优）、监视、可视化、监听、仿真、仿生、心理、生理等等。 信息科学技术的研究内容 信息技术的数学理论包括： 信息论（编码、度量、特性、传播、可靠性等） 数理逻辑和算法论计算机体系结构和程序的数学理论 人工智能理论（知识处理、学习、机器人等） 计算智能（模糊计算、神经计算、进化计算） 数学建模理论 优化的数学理论 通信协议的数学理论 信息科学技术的研究内容 信息技术的物理学理论包括： 电子学理论 量子理论/光量子理论 微电子学理论 纳米电子学理论 信息科学技术的研究内容 信息技术的生物学理论包括： 生物信息论 遗传学和基因理论 脑科学 生物物理学 生物化学 信息科学技术的特点 多学科交叉 交叉学科：需要广泛的知识背景 信息学科内部的交叉 与其它学科的交叉 物理学：微电子技术、纳米电子技术、信息获取 数学：计算机软件、通讯协议 生物学：生物电子学、生物信息学、仿生学 材料学科：元器件的制备 化学： SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能 SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下 Top-Down 地设计 SOC的优势 嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题 嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度 降低功耗，不需要大量的输出缓冲器 使DRAM和CPU之间的速度接近 MEMS技术和DNA芯片 微电子技术与其它学科结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点 MEMS 微机电系统 ：微电子技术与机械、光学等领域结合 DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合 MEMS技术 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等 MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统 ABS 、稳定控制和玩具 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5?m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等 新器件组件 微镜 光开关 MEMS技术和DNA芯片 MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，并且目前正处在加速发展时期 MEMS技术和DNA芯片 微电子与生物技术紧密结合的以DNA 脱氧核糖核酸 芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点 它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物 具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片 MEMS技术和DNA芯片 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用 Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片。包括6000余种DNA基因片段 MEMS技术和DNA芯片 MEMS技术和DNA芯片 纳米科学与技术 纳米的概念 纳米科学技术 纳米物理学 纳米化学 纳米生物学 纳米电子学 纳米机械学 纳米测量学 三代电子器件 电子管 晶体管 纳米电子器件 当今社会的三大热点技术 IT: Info-Technology，信息技术 BT: Bio-Technology，生物技术 NT: Nano-Technology，纳米技术 信息科学技术的另一个特点：信息科学技术的发展速度极快，只是更新周期短；造就了学习型社会信息领域的三个定律 信息领域的三定律 摩尔定律即电子定律 微电子制造工艺技术每3年前进一代，集成电路的集成度翻两番 超摩尔定律即光子定律 光信息技术水平每9个月翻一番 迈特卡夫定律 网络的价值以联网设备数的平方关系而增加 结束语 结束语 2000年：电子信息产业已经为世界第一大产业 硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素，但它现在已经成为知识创新的载体，价值千金。这是典型的“点石成金” 至少在今后50年，信息科学技术及其产业仍会高速发展 现代化要靠信息化的驱动 谢 谢 一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片 SOC 电、光、声、热、磁力等外界信号的采集各种传感器 执行器、显示器等 信息输入与模/数传输 信息处理 信息输出与数/模转换 信息存储 1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain 获得1956年Nobel物理奖 1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片 获得2000年Nobel物理奖 第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator 1946年2月14日 Moore School，Univ. of Pennsylvania 18,000个电子管组成 大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min Moore定律 10 G 1 G 100 M 10 M 1 M 100 K 10 K 1 K 0.1 K 1970 1980 1990 2000 2010 存储器容量 60%/年 ? 每三年，翻两番 1965，Gordon Moore 预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番 1.E+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5 1.E+4 1.E+3 70 74 78 82 86 90 94 98 2002 芯片上的体管数目 ? 微处理器性能 每三年翻两番 Moore定律： i8080:6,000 m68000:68,000 PowerPC601:2,800,000 PentiumPro: 5,500,000 i4004:2,300 M6800: 4,000 i8086:28,000 i80286:134,000 m68020:190,000 i80386DX:275,000 m68030:273,000 i80486DX:1,200,000 m68040:1,170,000 Pentium:3,300,000 PowerPC604:3,600,000 PowerPC620:6,900,000 “Itanium”:15,950,000 Pentium II: 7,500,000 微处理器的性能 100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 19701980199020002010 Peak Advertised Performance PAP MooresLaw Real AppliedPerformance RAP 41% Growth 8080 8086 80286 80386 80486 Pentium PentiumPro 信息技术的领域 信息安全 信息管理 基础： 软件、 微（纳）电子与光电子 关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信 SOC System On A Chip 集成电路走向系统芯片 IC的速度很高、功耗很小，但由于 PCB板中的连线延时、噪声、可靠 性以及重量等因素的限制，已无法 满足性能日益提高的整机系统的要求 IC设计与制造技术水平的提高， IC规模越来越大，已可以在一个 芯片上集成108109个晶体管 分立元件 集成电路 I C 系 统 芯 片 System On A Chip 简称SOC 将整个系统集成在 一个微电子芯片上 在需求牵引和技术 推动的双重作用下 系统芯片 SOC 与集成 电路 IC 的设计思想是 不同的，它是微电子技 术领域的一场革命。 集成电路走向系统芯片 六十年代的集成电路设计 微米级工艺 基于晶体管级互连 主流CAD：图形编辑 Vdd A B Out 八十年代的电子系统设计 PE L2 MEM Math Bus Controller IO Graphics PCB集成 工艺无关 系统 亚微米级工艺 依赖工艺 基于标准单元互连 主流CAD:门阵列 标准单元 集成电路芯片 世纪之交的系统设计 SYSTEM-ON-A-CHIP 深亚微米、超深亚 微米级工艺 基于IP复用 主流CAD：软硬件协 同设计 MEMORY Cache/SRAM or even DRAM ProcessorCore DSP Processor Core Graphics MPEG VRAM Motion Encryption/ Decryption SCSI EISA Interface Glue Glue PCI Interface I/O Interface LAN Interface 集成电路走向系统芯片 21世纪的微电子 将是SOC的时代 机械 部分 传感 执行 控制部分 电子学 MEMS 微电子学 ADI公司生产的微加速度计MEMS芯片 MEMS技术的应用 MEMS领域 Mirror Support Structure Substrate Hinges Torsion Hinges 1st DOF 2nd DOF Force-redirecting Linkage 微机械1X4光开关 微机械1X8光开关 A B C D MEMS技术和DNA芯片 1990年在美国巴尔的摩召开第一次国际纳米科技会议，并设立了顾问委员会。 基于传统的光刻等方法， 微电子加工技术的延伸 从顶层向下: Top to Down 从底层向上: Bottom to Up 分子和原子级加工 电子共振隧穿器件 二维电子气器件 量子点接触器件 量子点场效应晶体管 基于量子线的非线性的器件 基于纵向库仑阻塞结构的器件 纳米电子器件 * * 第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator 1946年2月14日 Moore School，Univ. of Pennsylvania 18,000个电子管组成 大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min 这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC 目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量 ? 集成电路技术是近50年来发展最快的技术 微电子技术的进步 按此比率下降，小汽车价格不到1美分 据美国半导体协会（SIA）预测 电子信息服务业 30万亿美元 相当于1997年全世界GDP总和 电子装备 6-8万亿元 集成电路产值 1万亿美元 GDP50万亿美元 2012年 15% 9% 3% From 信息技术对传统产业的渗透与带动作用 数控机床 普通机床 数字化技术改造 价格相差10倍 信息 技术 整机系统 高附加值 在成长期进入 市场，增强市 场竞争力 信息技术对传统产业的渗透与带动作用 电子信息对国家安全与国防建设的作用 2020年世界最大的30个市场领域：其中与 信息技术相关的24个市场：5万亿美元（Nikkei Business 1999） 美国国防部各类武器装备经费预算中的电子含量* 单位：% 199319941995199619971998199920002001飞机37.640.140.339.439.138.837.838.939.1导弹52.955.259.359.959.660.360.159.559.9空间5957.658.858.958.86060.961.661.9舰船31.432.832.134.834.934各种炮和武器15.717.519.319.820.420.820.620.822.7车辆14.314.416.422.