《自然科学基础》第十八章课件

1、信息技术信息社会 01 信息技术与信息社会 所谓信息技术，就是对信息进行采集、传递、加工、储存和利用等的技术。 现代信息技术是二次世界大战以后，随着电子计算机的发明和半导体物理学的发展而迅猛发展起来的。它先是在军事、通信、科学计算等领域得到应用，现已推及国民经济的各个部门，形成一个以微电子技术为基础，以计算机技术和通信技术为核心，包括微电子技术、计算机技术、通信技术、自动化技术、信息光电子技术、人工智能技术以及诸交叉综合技术在内的庞大技术群，并由此形成了一门新兴主导产业信息产业。 人们把这种正在进行中的巨大变化称为信息革命，它是当代科技革命的主要标志。信息革命主要包含两方面的涵义：一是指信息技

2、术革命；二是指信息技术的发展引起的社会和整个科技系统的重大变革。 信息革命使得人类历史在经历了农业社会、工业社会之后，逐步进入信息社会。相对于传统的农业社会、工业社会，信息社会主要具有以下新的特点：一是 信息将成为比能源、材料、资本等更为重要的资源和竞争要素，对它的掌握和有效利用在很大程度上决定竞争的胜负，而对信息中最重要的部分人类所创造的知识的应用和创新，将成为世界经济发展的主导因素。二是 信息产业将成为世界经济体系中最具活力的领域，并对整个产业结构产生重大影响。三是 信息技术的发展使时空距离相对缩短，地球将变成一个“地球村”，全球经济趋于一体化，社会加速转型，传统的生产方式、工作方式、教育

3、方式、生活方式和职业内涵都将发生巨大变化。微电子技术的发展和应用微电子技术的代表集成电路技术 02 微电子技术微电子技术是20世纪下半叶才发展起来的。目前，微电子技术的发展呈现出“三微四最”的特征，其中，“三微”是指尺寸微米级、功耗微瓦级、速度毫微秒级，“四最”是指最佳方案、最洁净环境、最低成本和最精细工艺。图18-1 中央处理器微电子技术使微型电脑更新换代、电子产品智能化、控制系统自动化得以实现，尤其引起了计算机技术的巨大变革。个人电脑的核心中央处理器就是一块微电子芯片，如图18-1所示。该芯片不断改进，才有了电脑从386、486、586到奔腾的更新换代。 所谓集成电路，是指把某一单元电路用

4、集成工艺制作在同一基片上，使之具有和单个分开的元器件所制作的电子线路同等或更好的功能，如图18-2所示。现有的集成电路主要是将电阻、电容、二极管、三极管等元器件及其互连线集成制作在单个半导体硅片上的半导体集成电路，又称为芯片。图18-2 集成电路 集成电路技术可以分为“设计”和“制造”两大部分。“设计”是指半导体芯片的设计技术，以开发新的功能或使最终产品获得优良的性能价格比，现在一般采用计算机辅助设计。“制造”过程中的关键技术可概括为“三超”技术：一是超净技术；二是超高纯度技术；三是超微细加工技术。电子计算机的产生与发展电子计算机的组成03 计算机技术计算机技术的升级与发展 让机器代替人进行计

5、算是人类久远的梦想，从算筹、算盘、加法器、数据处理机到计算机，经过了漫长的探索。 我国的电子计算机研制始于1958年，在19581959年先后制成小型和大型电子计算机。20世纪60年代中期制成一批晶体管计算机，后期开始研制集成电路计算机。20世纪80年代以后，微型机和巨型机技术都取得重大进展。（一）硬件 计算机硬件主要由中央处理嚣、存储器、输入设备和输出设备等组成。1中央处理器中央处理器简称CPU，它包括运算器和控制器。运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算，所谓逻辑运算就是对各种数据信息进行比较、判断、处理。控制器是计算机的指挥系统，由它发出信号，操纵计算机各部分协调工作。 2存储器计算机的程

6、序、数据及运算过程中的中间结果和最终结果等信息都需要在存储器中“写入和读出”，有的是永久性的，有的是暂时性的存储。计算机中的存储器有主存储器（内存）和辅存储器（外存）。目前所用的主存储器是由半导体集成电路构成的，根据其存储功能又可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。辅助存储器就是磁盘和磁盘驱动器（硬盘、软盘）、光盘和光盘驱动器，用于长期保存数据和程序。（一）硬件3输入设备输入设备是将外界信息转换成计算机能识别的二进制代码，输送到计算机存储器中保存。外界信息主要是原始数据和处理这些数据的程序，包括数字符、字母、控制符、图形、图像和声音等多媒体信息。微机中的基本输入设备包括键盘、鼠标、

7、光笔、话筒、扫描仪、摄像仪等。 4输出设备输出设备的功能是将经过计算机处理后的结果用人们能接受或其他外部设备所需要的形式表示出来。设备输出结果是符合多媒体需求的。微机中基本的输出设备包括显示器、打印机、绘图仪、音响系统、外存储器、磁盘和光盘等。（二）软件 电子计算机只有硬件还不能完成各种信息处理任务，必须为计算机执行各种任务编制相应的程序，这些程序的总和统称为软件。 当使用者根据工作需要确定了硬件的总体配置以后，这台计算机所能发挥的作用在很大程度上就取决于软件了。所以，要使计算机能很好地工作，必须“软硬兼施”。 计算机现已广泛应用于科研、工农业生产、金融、办公室管理、文化娱乐及家庭生活等各个方

8、面，成为信息时代必不可少的工具。特别是目前在计算机应用方面，计算机网络化、多媒体化以及计算机辅助技术的发展正方兴未艾，将给人们的工作和生活方式带来巨大的影响。 超级计算机是指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑。超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机。1超级计算机2014年，全球超级计算机500强榜单中，由国防科大研制的超级计算机系统“天河二号”（见图18-3）以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能连续第四次获得冠军，成为全球最快的超级计算机，比第二名美国“泰坦”速度快了近一倍。1超级计算机图18

9、-3 “天河二号”超级计算机 人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能是一门极富挑战性的科学，从事这项工作的人必须懂得计算机知识、心理学和哲学。2人工智能（AI）人工智能发展的方向如下： 提高精确运算能力； 提高模糊运算能力； 提高创造性思维能力。相当于人右脑的功能，也就是理性思维，和相当于人左脑的功能，也就是潜意识和感性思维，后者在技术上比较难解决一

10、些。第步已经实现了，计算机的精确运算能力远比人脑强很多，多年前电脑“深蓝”战胜国际象棋大师卡斯帕罗夫就是例证；第步和第步还需要一定的发展过程。 美国犹他州州立大学的计算机教授雨果德加里斯是全球第一台人工大脑的制造者，是世界人工智能领域的先驱，有“人工大脑之父”的美誉，其在日本的人工大脑与家猫的智力相当。微波中继通信与卫星通信光纤通信 04 通信技术移动通信和个人通信 微波中继接力通信线路是由两端的终端站和其间一连串的中继站组成接力通信，中继站完成放大、转发及分路作用。由于微波频率很高，它在空间的传输接近直线。 接收和发送的微波天线通常采用抛物面，天线相邻两站之间的距离尽量不超过视线距离。 卫星

11、通信是地面上微波中继接力通信转向航天空间的发展，是微波中继通信的特殊形式。 卫星通信必须采用微波频段，因为地面站发送到卫星上的电磁波信号必须穿透大气层特别是电离层。因为电离层对一般电磁波是反射的，只有微波频段中的某些频段具有穿透电离层的能力，才能实现地面与卫星间的通信任务。 卫星通信与其他通信方式比较，有其独特之处： 通信距离远，不受地理条件的限制，特别适用于远距离通信，容易实现全球通信。 以广播形式工作，只要在卫星天线波束覆盖范围内设置地面站，既可接收，也可发送。地面站之间可以同时通信，同时实现多方向、多地点通信，可以提高通信网络建设的效率和灵活性，有利于移动通信网络的实现。 通信容量大，能

12、传送的业务类型多，随着新体制、新科技的进一步开发，通信容量越来越大，更适合数字化通信，大大提高了通信质量。 光纤通信是利用光波作载波，在光导纤维中传输光信号的通信方式。这里的光波是由半导体激光器产生的相干光。光导纤维是传导激光的波导，是从微波波导中的介质波导发展出来的光波导。 光纤是由超纯石英玻璃拉制成的。在光纤通信系统中，最大的中继距离达到372 km。用光缆（见图18-4）代替电缆，可以节约大量的铜、铝等金属材料，地球上的铜、铝等储量不多，而制造光导纤维的原料是SiO2，地球上硅（Si）的资源远比铜、铝丰富得多。图18-4 光缆 目前光纤通信系统正在向长中继距离、超大容量、高速数据传输和宽

13、带信息传输等方向发展。全部由光波器件（集成光路）组成的全光通信系统正在研制。利用光纤通信的大容量、高速率，可以实现各个城市间长途自动拨号、国际长途自动拨号，随意收看各地的电视节目，开展远程教育等。第一代 20世纪80年代我国流行BP机（无线寻呼机），90年代开始用“大哥大”，实际就是第一代移动通信技术，采用的是模拟移动通信系统，存在容量小、干扰大、保密性差等缺陷。第二代 移动通信（2G）采用数字移动通信系统，除了提供话音通信服务外，还可提供低速数据和短消息服务。最早推出的是欧洲研制的GSM系统（全球移动通信系统），后来世界上还有其他一些第二代移动通信系统推出，其中影响最大的就是由美国高通公司研制的CDMA（码分多址）移动通信系统。第三代 移动通信（3G）采用了一系列先进技术，如功率控制技术、软切换技术、智能天线技术、“蓝牙”技术。3G的优点是：用户容量大、服务