现代物理概论.ppt

公共选修课,现代物理概论,第七讲现代信息技术介,现代生活中的主要通信方式邮政：正在萎缩电话：很大发展，形形色色的电话及通信方式网络技术：正在兴起现代社会是信息社会每时每刻有海量的信息需要传递信息具有价值信息学科是现代科学技术的前沿学科信息技术是当今科学技术的先导技术信息产业是优先发展的支柱产业信息行业是就业形势良好，收入较高的行业,从信息技术获益,大众传媒广播、电视、报纸、新闻文化娱乐网吧、电视科学技术离不开电子信息技术（含通信技术）工农业生产改造传统产业，建立新型工农业生产体系战争军事空军、海军、导弹、坦克,从我们的身边看,电话的普及程度网络的普及程度电子邮件和手机短信的使用电子商务，需要解决：网络通信技术物流传递技术社会信用保障体系,信息定义,信息就是信息，它既不是物质也不是能量。N.Wiener（控制论创始人）事物运动的状态及状态变化的方式。客观事物立场认识主体所感知或所表述的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用。认识主体立场信息就是能够使熵减少的东西仙农（信息论奠基人）,信息的特征,信息来源物质，它又不是物质。,信息也来源精神，它又不限于精神领域。,信息与能量息息相关，它又与能量有本质区别。,信息具有知识本性，它有比知识内涵更广泛和松弛。,信息是具体的，它又可以被感知处理和利用。,信息可被共享。,语法信息在传递和处理过程中永不增值。,在封闭系统中，语法信息的最大可能值不变。,信息的性质,信息是普遍存在的。,信息是无限的。,对同一事物,不同的观察者可获得的信息可能不同,信息可以在时间和空间中从一点转移到另一点,信息可以由不同的载体和方法载荷,不改变信息本身。,信息可以用来消除系统的不定性,增加系统的有序性(负熵)。,通信网与计算机网的互相渗透,通信计算机计算机通信,信息技术发展之快，对人类文明影响之深远，远远超出人们的想象!,中国互联网络信息中心(CNNIC)统计,1600800400210117.562199719981998199919992000200410.316.3012.316.3012.316.3012.31,上网人数,(万人),10000,我国的电脑家庭用户,50年来，体积、功耗、速度、容量，提高了1亿倍，价格降低了1亿倍。,年代存储器典型容量价格1979磁芯256k(105)4元/位1999半导体128M(108)10-5元,十年增长103105,从计算的机器到无所不能的电脑,1.从数值计算到数据库解决弹道、解码等军事需要开始图灵理想机:带子、读写头、控制器冯诺依曼：二进制、程序存储,100:1少数专家的神圣殿堂,2.多媒体、网络多种信息数字化，营造现实之外的世界，通过网络实现信息共享,图形界面的操作系统：鼠标、扫描、采集.因特网、光传输技术：信息的远程交互传输,1:1现代人重要的工具,3.家用电器的信息化无所不在、无所不能,像纸张一样便宜的微处理器：音乐芯片的运算能力超过ENIAC2010年将降至4美分微处理器、传感器和激光技术的组合将使人类进入智能化时代,1:100人类生活的必须,105造纸术1050活字印刷1876电话1894无声电影无线电电报1906收音机广播电台,信息技术的演变,1936黑白电视1948彩色电视1945电子计算机1950录音机1956录像机1982个人电脑1993信息高速公路,基本信息技术,感知与识别技术扩展感觉器官功能,提高人们的感知范围、感知精度和灵敏度通信技术与存储技术扩展神经网络功能,消除人们交流信息的空间和时间障碍计算处理技术扩展思维器官功能,增强人们的信息加工处理能力控制与显示技术扩展效应器官功能，增强人们的信息控制能力,信息处理系统实例,雷达是一种以感知与识别为主要目的的系统电视/广播系统是一种单向的、点到多点（面）的以信息传递为主要目的的系统电话是一种双向的、点到点的以信息交互为主要目的的系统银行是一种以处理金融业务为主的系统图书馆是一种以信息收藏和检索为主的系统Internet是一种跨越全球的多功能信息处理系统,电子线路使用的基础元件的演变,真空电子管晶体管中小规模集成电路大规模超大规模集成电路,电子线路使用的基础元件的演变,真空电子管在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机晶体管1948年发明，再加上印制电路组装技术的使用，使电子电路在小型化方面前进了一大步，产生了第二代计算机,电子线路使用的基础元件的演变,集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)20世纪50年代出现，以半导体单晶片作为材料，经平面工艺加工制造，将大量晶体管、电阻等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上，构成一个微型化的电路或系统。现代集成电路使用的半导体材料通常是硅(Si)，也可以是化合物半导体如砷化镓(GaAs)等,小规模集成电路,超大规模集成电路,集成电路的规模,根据所包含的晶体管数目分为：,集成电路分类,根据集成电路的功能分为：数字集成电路（如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等）模拟集成电路（又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等）,微电子技术与集成电路,集成电路芯片是微电子技术的结晶，它们是计算机的核心。先进的微电子技术高集成度芯片高性能的计算机利用计算机进行集成电路的设计、生产过程控制及自动测试，又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片,微电子技术与集成电路,集成电路是现代信息产业和信息社会的基础集成电路是改造和提升传统产业的核心技术2000年世界半导体产值达2000亿美元电子信息产品市场总额超过1万亿美元据预测：未来十年内世界半导体的年平均增长率将达15%以上，2010年全世界半导体的年销售额可达到60008000亿美元，将支持45万亿美元的电子装备市场。,集成电路的制造,集成电路的制造：400多道工序,集成电路的制造,集成电路制造厂（晶圆厂）生产的产品包括：晶圆切片（也简称为晶圆）超大规模集成电路芯片（可简称为芯片）晶圆:在每一硅光片可制作出许多独立的集成电路，这种排满了集成电路的硅片称为“晶圆”。芯片：将合格的集成电路分类排列，这种集成电路小片，称为“芯片”。,集成电路的发展趋势,集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸，晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快。芯片上电路元件的线条越细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多，功能就越强，速度也越快。,提高集成度，关键在缩小门电路面积集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高Moore定律单块集成电路的集成度平均每1824个月翻一番GordonE.Moore,1965年Intel公司创始人,问题与出路线宽进一步缩小、线路间的距离越来越窄以后，干扰将越益严重。为了减少这种干扰，可以采取减小电流，降低电压的方法来解决。但是，当晶体管的基本线条小到纳米级，线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，晶体管已逼近其物理极限，它将无法正常工作。在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，可以利用这些量子效应研制具有新功能的量子器件，从而把芯片的研制推向量子世界的新阶段纳米芯片技术。同时，人们还在研究将自然界传播速度最快的光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成。,通信技术,通信三要素：信源（信息的发送者）信宿（信息的接收者）信道（信息的载体与传播媒介）,通信系统分类,有线载波通信光纤通信微波通信卫星通信移动通信,有线载波通信,有线载波通信：主要传输电话，电报、传真、数据也可传输广播、可视电话、电视节目依据所用的传输介质，有线载波通信可分为：明线载波系统对称电缆载波系统同轴电缆载波系统,光纤通信,传输介质：光纤（光缆）传输的信号：光信号（数字信号，有光脉冲相当于1，无光脉冲相当于0）传输速率：1Gb/s以上,光纤通信,光波在纤芯中的传输原理当光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去光纤种类多模：纤芯直径为50或62.5m，可以存在许多条入射角不同的光线，各自以不同的反射角全反射传播下去（即：每一个光线有一个不同的模式）。单模：纤芯直径为810m（一个光波波长），光线不出现反射，直接向前传输。衰耗小，在2.5Gb/s的高速率下传输数十公里而不必采用中继器。,光纤通信系统,光纤通信优点传输频带非常宽，通信容量大抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强无串音干扰，保密性强，不易被窃听或截取数据传输损耗小，通讯距离长数据速率为420Mbps、距离为119km、无中继器时，误码率为10-8重量轻，便于运输和铺设光纤通信缺点精确连接两根光纤比较困难,光纤通信技术光纤通信系统技术更新换代80年代末：PDH（PlesiochronousDigitalHierarchy准同步数字系列）系统90年代中期：SDH（SynchronousDigitalHierarchy同步数字系列）系统现在：WDM（WavelengthDivisionMultiplexing波分复用）系统波分复用技术能在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增,光纤通信的发展前景,光纤通信的瓶颈之一是光信号的传输距离。焦点在“信号放大”。普通光纤网络中的信息在传输时每隔200km500km间需加入电放大器，将光信号还原成电信号进行放大，然后再转换成光信号继续传输。这不仅增加成本，还使进一步提高带宽变得越来越困难，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换所抵消。全光网（AllOpticalNetwork）：光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，不需要经过光/电、电/光转换。全光网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是21世纪真正的高速公路。,微波通信,微波：一种具有较高频率(300MHz300GHz)的电磁波。波长很短，通常为1米至1毫米。微波通信是众多无线通信形式中的一种。有人认为未来只有两种通信手段：光纤：用于所有固定设备（电话、传真机、计算机）通信无线通信：用于所有移动通信。,卫星通信,利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，实现两或多个地球站之间的通信。是微波接力通信技术与空间技术相结合的产物。,卫星通信,通信卫星工作原理从地面站1发出的无线电信号，被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大、变频和功率放大，然后由卫星的通信天线把放大后的信号重新发向地面站2，从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。,信息通信技术辉煌依旧（1）,NetworkandOpticalFiberCommunications(网络与光纤通信技术)无线通信的历史：1901年12月12日，意大利工程师马可尼首次实现跨越大西洋的无线电通信。容量：几bit/s（bps）。100年后的今天，骨干光纤传输的容量：10Gbps。网络通信的广泛应用：电子商务，电子政务，网上医疗，网上教学，。网络成为现代生活的重要媒体。全世界有4.14亿人经常上网。技术发展：窄带宽带；有线无线；固定移动最后1km和接入问题：ISDN，ADSL，CableModem，光纤瓶颈：光电转换。最终有可能导致光学信息处理技术代替电子信息处理技术,MobileCommunications,第一代模拟的第二代数字的第三代无线与互联网等多媒体通信相结合第四代100MB，动画、音乐等第五代多媒体，3D会议，3D游戏,10problemsfacedbytheinternet,身份识别保护知识产权;保护个人隐私;新一代网络通信协议;新一代互联网技术;无线上网技术;传统电话线路与网络融合技术;更有效的网络视频传输技术;垃圾邮件的过滤技术;网络安全技术,网络交换系统和CDMA系统示意图,信息通信技术辉煌依旧（2）,计算机技术2001年出现了分子电路由晶体管、开关、导线等构成分子电路，可以进行计算；科学杂志将其列为年度十大科技进展的榜首；意义：最终将导致运算速度最快的计算机的诞生（目前的运算速度：12万亿次/秒，国产的4千亿次/秒）。2001年出现了生物计算机由DNA分子（软件）和酶分子（硬件）构成尺寸：1万亿个这样的生物计算机只有一滴水那么大运算能力惊人,计算机芯片,2002年计算机芯片的最新进展2002年1月，P4，f=4GHz；2002年4月，Motorola,Philips,STMicro-electronics组建战略联盟；2002年8月，IBM，SONY，TOSHIBA联合研制新型计算机芯片；2002年9月，SAMSUN推出512M，1G动态RAM，突破纳米级（100nm）；2002年6月，贝尔推出1-2nm的晶体管,超级计算机,2002年超级计算机最新进展2002年4月，NEC采用5120个处理器，峰值计算能力40万亿次浮点运算；2002年8月，PRIMPOWER16384个处理器，85.1万亿次浮点运算；2002年8月，加拿大阿尔伯特大学，1200台计算机连接，超级虚拟计算机；2002年11月，IBM公司投资2.9亿美元运算速度100万亿次（用于大规模核试验）；运算速度367万亿次（研究全球气候变化和环境污染）,生物计算机图示,银河计算机图示,信息通信技术辉煌依旧（3）,集成电路技术第一片IC芯片诞生于1958年40多年来经历了几个阶段：小规模、中规模：对应于老式的大型计算机；大规模：对应于PC机；超