高新电子信息技术的发展方向

1、第三章 当代高新技术的发展第三节 电子信息技术主要内容 信息技术概述 微电子技术的应用及发展 计算机应用技术及发展 网络与通信技术发展 人工智能及其发展 一、信息技术概述一、信息技术概述 信息：信息：信息就是消息，一切存在都有信息信息就是消息，一切存在都有信息 对人类而言，人的五官是信息的接收器，对人类而言，人的五官是信息的接收器，它们所感受到的一切，都是信息。它们所感受到的一切，都是信息。 大量的信息是五官不能直接感受的，人类大量的信息是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、正通过各种手段，发明各种仪器来感知、发现它们。发现它们。信息的十大基本特征信息的十大基本特征 可

2、量度可量度: : 信息可采用某种度量单位进行度量，并进行信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息编码。如现代计算机使用的二进制 可识别可识别: :信息可采取直观识别、比较识别和间接识别等多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。种方式来把握。 可转换可转换: :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。磁波信号或计算机代码。 可存储可存储: :信息可以存储。大脑就是一个天然信息存储器。

3、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。等都可以进行信息存储。 可处理可处理: :人脑就是最佳的信息处理器。人脑的思维功能可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。多种信息处理活动。计算机也具有信息处理功能。信息的十大基本特征信息的十大基本特征 可传递可传递: :信息传递是与物质和能量的传递同时进行信息传递是与物质和能量的传递同时进行的

4、。语言、表情、动作、报刊、书籍、广播、电视、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。电话等是人类常用的信息传递方式。 可再生可再生: :信息经过处理后，可以其他形式再生。如信息经过处理后，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，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。可用显示、打印、绘图等方式再生成信息。 可压缩可压缩: :信息可以进行压缩，可以用不同的信息量信息可以进行压缩，可以用不同的信息量来描述同一

5、事物。人们常常用尽可能少的信息量描来描述同一事物。人们常常用尽可能少的信息量描述一件事物的主要特征。述一件事物的主要特征。 可利用可利用: :信息具有一定的实效性和可利用性。信息具有一定的实效性和可利用性。 可共享可共享: :信息具有扩散性，因此可共享。信息具有扩散性，因此可共享。人类信息活动的五次变革人类信息活动的五次变革 人类的进化史也是一部人类信息活动的演进史人类的进化史也是一部人类信息活动的演进史 五次巨大的变革五次巨大的变革语言：语言：标志着人类信息活动的范围和效率的飞跃性提高，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。人类的信息活动从具体走向抽象。文

6、字：文字：文字打破了时间和空间的限制，使信息可以传得更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，实现了信息的共享久，传得更远，实现了信息的共享印刷术：印刷术：印刷术的发明使人类信息传递的速度和范围急剧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广泛的信息共享利用电磁波：利用电磁波：电信革命的实现，是人类划时代的进步电信革命的实现，是人类划时代的进步计算机和网络技术：计算机和网络技术：新型计算机与网络技术的出现，以及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

7、息处理第一次达到了一体化和自与通信技术的结合，使信息处理第一次达到了一体化和自动化动化 自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是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，客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社是人类社会会、经济活动的重要资源、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，信息科学技术的发展改变了人们的生产、生活方式，真正实现了真正实现了“天涯若比邻天涯若比邻”的理想的理想 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，由高速大容量光纤和通讯卫星群以光速和宽频带地

8、传送信速大容量光纤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。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是各种计算机或实现社会信息化的网络及其关键部件是各种计算机或通讯机通讯机信息技术：信息社会的基石信息技术：信息社会的基石目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约机总量约6 6亿台，每年由计算机完成的工作量超过亿台，每年由计算机完成的工作量超过40004000亿人年工作量亿人年工作量汉诺威电子博览会汉诺威电子博览会.wmv.wmv国际消费电子展国际消费电子展.wmv.wmv 几

9、乎所有的传统产业与信息技术结合，用电子信息技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全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的电量的30%30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电技术进行改造，每年即可节电500500亿度以上，相当于亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量三个葛洲坝电站的发电量(157(157亿度亿度/ /年年) ) 对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用对白炽灯进行高

10、效节能改造，并假设推广应用30%30%，所节省的电能相当于三座大亚湾核电站的发电量所节省的电能相当于三座大亚湾核电站的发电量(139(139亿度亿度/ /年年) )信息技术对传统产业的渗透与带动作用信息技术对传统产业的渗透与带动作用 装备的更新换代都基于信息技术的进步，其灵巧的程度都依赖于信息技术的“智慧”程度和使用程度 数控机床数控机床数字化技术改造数字化技术改造价格相差价格相差10倍倍信息信息技术技术整机系统整机系统高附加值高附加值在成长期进入在成长期进入市场，增强市市场，增强市场竞争力场竞争力普通机床普通机床市市 场场 销销 售售 额额 （ 10 亿亿 美美 元元 ） 市市 场场 销销

11、售售 额额 （ 10 亿亿 美美 元元 ） 手手 提提 数数 据据 通通 讯讯 * 630 超超 薄薄 显显 示示 器器 * 170 个个 人人 电电 脑脑 * 470 IC 卡卡 * 165 移移 动动 电电 话话 服服 务务 * 380 地地 面面 微微 波波 广广 播播 * 160 CPU* 300 DNA 生生 物物 芯芯 片片 * 160 数数 据据 存存 储储 产产 品品 * 270 多多 用用 途途 通通 讯讯 设设 备备 * 155 磁磁 存存 储储 * 250 半半 导导 体体 设设 备备 * 150 电电 子子 商商 务务 * 250 电电 力力 交交 通通 工工 具具 1

12、50 网网 络络 信信 息息 服服 务务 * 230 墙墙 壁壁 式式 超超 薄薄 电电 视视 * 145 高高 密密 度度 磁磁 存存 储储 * 230 移移 动动 电电 话话 * 140 系系 统统 集集 成成 芯芯 片片 * 210 直直 接接 引引 入入 工工 具具 140 家家 庭庭 医医 疗疗 设设 备备 * 210 ITS 设设 备备 140 互互 联联 网网 * 200 DNA 加加 工工 食食 品品 135 有有 线线 电电 视视 * 200 液液 晶晶 显显 示示 器器 * 120 智智 能能 传传 输输 系系 统统 * 190 仿仿 制制 品品 115 代代 理理 软软

13、件件 * 180 燃燃 油油 汽汽 车车 110 2020年世界最大的年世界最大的30个市场领域：其中与信息技术相关的个市场领域：其中与信息技术相关的 24个市场，个市场，5万亿美元万亿美元电子信息产业的战略重要性电子信息产业的战略重要性信息技术面临的问题信息技术面临的问题 人类已经进入人类已经进入“信息化社会信息化社会” ” 或或“数字化社会数字化社会”。 信息爆炸，信息存量指数递增。信息爆炸，信息存量指数递增。处理能力处理能力的增长远远赶的增长远远赶不上信息量的增长。不上信息量的增长。 信息不但在量上呈爆炸趋势，而且信息信息不但在量上呈爆炸趋势，而且信息结构结构越来越复杂，越来越复杂，处理

14、越来越困难。处理越来越困难。 信息越来越多，但是信息的信息越来越多，但是信息的利用率利用率越来越低，人们被埋越来越低，人们被埋没的数据和信息的海洋之中，不知所措。没的数据和信息的海洋之中，不知所措。 InternetInternet的发展开拓了人类的的发展开拓了人类的“视界视界”和互相交流的范和互相交流的范围。但是其无序的成长和恶意产生的围。但是其无序的成长和恶意产生的“垃圾信息垃圾信息”给网给网上信息的利用带来很大的麻烦和困难。上信息的利用带来很大的麻烦和困难。 海量信息分布在广阔的网上，各节点间为了使用它们必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，而且人参与其中，使问题

15、更加复杂化。须相互通信，而且人参与其中，使问题更加复杂化。 信息的安全问题：国家安全、银行信息的安全问题：国家安全、银行/ /金融系统的安全、金融系统的安全、个人通信的安全、个人通信的安全、促进信息技术发展的需求促进信息技术发展的需求在物理实现上不断探求新思想、新原理和新方法，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（使各种信息领域元器件的性能不断提高（电子技电子技术）术）计算机、网络等的体系结构和处理逻辑不断改进，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发明和设计出各种新型的硬件系统硬件系统。创造优良的信息处理方法和高效的计算方

16、法，以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便不断提高系统的处理效率处理效率。软件的理论和技术迅速改进，设计和实现切实可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，包括各种用的软件系统，包括各种系统软件、应用软件系统软件、应用软件。 信息要求在广阔的范围内快速、可靠、安全、随信息要求在广阔的范围内快速、可靠、安全、随时随地地传输时随地地传输（通信技术）（通信技术） 新数字传送系统新数字传送系统.wmv.wmv 要为不断增长的、海量的、各种类型的信息提供要为不断增长的、海量的、各种类型的信息提供快速、可靠和安全的存储设备快速、可靠和安全的存储设备（存储技术）（存储

17、技术） 研究人的视觉、听觉、生理、心理等机制，以及研究人的视觉、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机器感知和人工智能，使信息处理技术更加智能化（化（智能科学）智能科学） 机器人数字神经系统机器人数字神经系统1.wmv1.wmv 机器人数字神经系统机器人数字神经系统2 .wmv2 .wmv促进信息技术发展的需求促进信息技术发展的需求信息技术的研究内容信息技术的研究内容 研究信息的获取（收集）、表示（组织）、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、

18、接存储、处理、传输（包括发送、路由、接收）收） 集数学、物理学、电子学、通信技术、计集数学、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。论与技术等于一体的交叉学科。信息技术的领域信息技术的领域信息安全信息安全信息管理信息管理基础：基础： 软件、微电子与光电子软件、微电子与光电子关键技术：微电子与光电子、软件、计算机和通信关键技术：微电子与光电子、软件、计算机和通信信息获取信息处理信息传输、交换信息存储信息的随动执行和应用核心和基础核心和基础微电子微电子电电子子学学微电子学微电子学二、微电子技术发展及应用二、微电

19、子技术发展及应用微电子学：微电子学：MicroelectronicsMicroelectronics微电子学微电子学微型电子学微型电子学核心核心集成电路集成电路 微电子学（Microelectronics）： 一门研究集成一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科 半导体（Semiconductor）：内涵及外延均与微电内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法子类似，是早期的叫法 集成电路IC（Integrate Circuit）：通过一系列通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电

20、容等无源器件，按照一定的电路互连，电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能 芯片（chip）：没有封装的集成电路，但通常也与没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称集成电路混用，作为集成电路的又一个名称 集成系统芯片SOC（system on a chip）：微电子微电子学和集成电路技术发展的产物，指在单芯片上实现学和集成电路技术发展的产物，指在单芯片上实现系统级的功能系统级的功能微电子技术的发展历

21、史微电子技术的发展历史 19471947年年1212月月2323日，日，W. W. SchokleySchokley领导的贝尔实验室设领导的贝尔实验室设计研制出第一个计研制出第一个NPNNPN型型 GeGe晶体晶体管，管， 肖力克与布拉顿、巴丁共肖力克与布拉顿、巴丁共同获得同获得第一块集成电路第一块集成电路第一个晶体管第一个晶体管迟到了四十二年的奖迟到了四十二年的奖19581958年美国德州仪器公司技年美国德州仪器公司技术专家杰克术专家杰克基尔比（基尔比（KilbyKilby）发明第一块集成电路，发明第一块集成电路，1212个器个器件，件，GeGe晶片；晶片；20002000年获得诺贝年获得诺

22、贝尔物理学奖。尔物理学奖。 微电子技术发展史上的几个微电子技术发展史上的几个里程碑里程碑 19621962年年WanlassCMOSWanlassCMOS技术；现在集成电路产业中占技术；现在集成电路产业中占95%95%以上；以上； 19711971年：年：IntelIntel推出推出1kb1kb动态随机存储器（动态随机存储器（DRAMDRAM），标志着大规模），标志着大规模集成电路出现；集成电路出现； 19711971年：全球第一个微处理器年：全球第一个微处理器40044004由由IntelIntel公司推出，里程碑式公司推出，里程碑式的发明的发明 19781978年：年：64kb64kb动态

23、随机存储器诞生，不足动态随机存储器诞生，不足0.50.5平方厘米的硅片上平方厘米的硅片上集成了集成了1414万个晶体管，标志着超大规模集成电路（万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSIVLSI）时代的）时代的来临；来临； 19881988年：年：16M DRAM16M DRAM（主存储器）问世，（主存储器）问世，1 1平方厘米大小的硅片上平方厘米大小的硅片上集成有集成有35003500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（ULSIULSI）阶段；阶段；第一个第一个CPU：4004Pentium III CPU芯芯片片? 不断提高产品的性能价格比是微

24、电子技术发展的动力不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力? 集成电路芯片的集成电路芯片的集成度每三年提高集成度每三年提高4 4倍（倍（1818个月翻一个月翻一番）番），而加工特征尺寸缩小，而加工特征尺寸缩小 倍倍，这就是，这就是摩尔定律摩尔定律2微电子技术发展的规律微电子技术发展的规律10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010芯片上的体管数目芯片上的体管数目 微处理器性能每三年翻两番微处理器性能每三年翻两番微处理器的性能微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo197019801990

25、20002010集成电路技术是近集成电路技术是近5050年来发展最快的技术年来发展最快的技术 年年份份特特 征征 参参 数数19591970-19712000比比 率率设设 计计 规规 则则 m2580.18140电电 源源 电电 压压VD D(伏伏 ）551.53硅硅 片片 直直 径径 尺尺 寸寸（ m m ）53030060集集 成成 度度62 1032 1093 108D R A M 密密 度度 （ bit)1K1G106微微 处处 理理 器器 时时 钟钟 频频率率 (H z)750K1G103平平 均均 晶晶 体体 管管 价价 格格 $100.310-6107设计设计检测检测单晶单晶、

26、外、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试系统需求系统需求 集成电路设计与制造的主要流程集成电路设计与制造的主要流程芯片的显微照片芯片的显微照片Vsspoly 栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+集成电路设计的发展集成电路设计的发展微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互连主流主流CADCAD：图形编辑：图形编辑VddABOutPEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB（印数电路板）集成（印数电路板）集成系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:CAD:门阵列门阵列 标

27、准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片深深亚微米、超深亚微米级工艺亚微米、超深亚微米级工艺基于基于IPIP复用复用主流主流CADCAD：软硬件协同设计：软硬件协同设计分分立立元元件件集成集成电路电路 I C 系系 统统 芯芯 片片System On A Chip(简称简称SOC)将整个系统集成在将整个系统集成在一个一个微电子芯片上微电子芯片上在需求牵引和技术在需求牵引和技术推动的双重作用下推动的双重作用下系统芯片系统芯片(SOC)与集成与集成电路电路(IC)的设计思想是的设计思想是不同的，它是微电子技不同的，它是微电子技术领域的一场革命。术领域的一场革命。集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯

28、片解调/纠错传输反向多路器MPEG解码DRAMDRAM声频接口视频接口IBMCPUSTBPSCIIEEE1284GPIO,etcDRAM卫星/电缆第二代将来第三代SOCSystem On A Chip集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片 SOC技术刚刚起步，层出不穷将从目前的3G逐步发展到3T时代 存储容量由G位发展到T位 集成电路器件的速度由GHz发展到THz 数据传输速率由Gbps发展到Tbps注：1G=109、1T=1012、bps：每秒传输数据位数 2121世纪的微电子将是世纪的微电子将是SOCSOC的时代的时代特征尺寸继续等比例缩小特征尺寸继续等比例缩小集成电路集成电路(IC)(

29、IC)将发展成为系统芯片将发展成为系统芯片(SOC)(SOC)微电子技术与其它学科相结合，诞生出一系列崭新微电子技术与其它学科相结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点的学科和重大的经济增长点 MEMS(MEMS(微机电系统微机电系统) )：微电子技术与机械、光学等领：微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的域结合而诞生的 生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合的产物生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合的产物 芯片技术制造太阳能硅板芯片技术制造太阳能硅板.wmv.wmv微电子技术的三个发展方向微电子技术的三个发展方向 微电子是信息产业的核心和基础，实现社会信息化的网微电子是信息产业的核

30、心和基础，实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机或通讯机，它们的基络及其关键部件不管是各种计算机或通讯机，它们的基础都是础都是微电子微电子 没有微电子就没有今天的信息社会没有微电子就没有今天的信息社会 没有芯片的信息技术是没有心脏的信息技术没有芯片的信息技术是没有心脏的信息技术 没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济能形成高附加值的知识经济 硅技术至少在今后硅技术至少在今后5050年仍然会保持高速发展，目前还看年仍然会保持高速发展，目前还看不到能够替代的新技术不到能够替代的新技术 盖茨称芯片技术没到极限

31、盖茨称芯片技术没到极限, ,十年内也不会十年内也不会微电子技术对信息社会的重要性微电子技术对信息社会的重要性信息时代信息时代硅器时代硅器时代? ?5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000石器时代石器时代 35000年年铜器时代铜器时代 1800年年铁器时代铁器时代 3200年年硅器时代硅器时代XX 年？年？3000BC 1200BC 1968硅是地球上除氧以外含量最丰富的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元素，但它现在已经成为知识创新的载体，价值千金的载体，价值千金“点石成金点石成金”我国的微电子产业 微电子产业的发

32、展规模和科学技术水平已成为衡量一个微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。国家综合实力的重要标志。 ITIT行业停留在装配业水平上，挣的行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱辛苦钱”。 在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。 有人戏称：有人戏称：“你们说中关村是硅谷，但是一个无你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没有自己集成电路在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。手中。 高级工程技术人才和设计人才短缺已成为产业发展的制约因素。美国已有设计人才40万人，中国设计人才不足万人我国微电子技术发展的历史我国微电子技术发展的历史 19561956年五校在北大联合创建半年五校在北大联合创建半导体专业导体专业 19771977年北京大学诞生第一块大年北京大学诞生第一块大规模集成电路规模集成电路 19821982年：成立电子计算机和大年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组规模集成电路领导小组 8080年代：初步形成三业分离状年代：初步形成三业分离状态，态，制造业、设计业、封装业制造业、设计业、封装业