《现代科学技术导论(第四版)》电子教案-第2篇第2章微电子技术与计算机技术

1第二章微电子技术与计算机技术作者李政2在现代科学技术中，微电子技术扮演着十分重要的角色，它已渗透到人类社会的各个领域和人类生活的各个方面，被人们誉为支撑高技术开展的根底和推进社会信息化的动力。以微电子技术为根底的计算机技术飞速开展，使计算机迅速普及和广泛应用。多媒体电脑作为一种消费时尚进入寻常百姓家，因特网连接世界的各个角落，拉进了人们之间的距离，整个地球变成了一个“村庄〞。从企事业单位到政府机关，从交通、通讯到金融，参军事、国防到日常生活，计算机已成为不可缺少的工具，改变着人类的工作、生产和生活方式。引言第一节微电子技术及其应用微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用它们实现电子系统功能的技术领域。1947年，美国的三位科学家巴丁、布莱顿和肖克莱创造了晶体管。晶体管

第一节微电子技术及其应用1952年5月，英国人达默首次提出了集成电路的设想。1957年，英国普列斯公司与马耳维尔雷达研究所协作，制成了触发器电路。1958年，美国得克萨斯公司的基尔比和仙童公司的诺伊斯做成了由12个元件组成的RC移相振荡器。1959年，仙童公司完成了集成电路的全部工艺。第一节微电子技术及其应用集成电路是以半导体晶体材料为基片，采用专门工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、外表或基片之上的微小型化电路或系统。集成度是指在一定尺寸的芯片上能做多少个晶体管。小规模集成电路〔SSI〕，100个晶体管以下。中规模集成电路〔MSI〕，100-1000个晶体管。大规模集成电路〔LSI〕，1000-100000个晶体管。超大规模集成电路〔VLSI〕，10万-1000万个晶体管。摩尔定律：集成度每三年翻两番。第一节微电子技术及其应用计算机的运算器和控制器集成在一个芯片上，称为中央处理单元(CPU)，也叫微处理器。1971年，Intel公司推出了世界上第一台微处理器4004。它有2300个晶体管，具有每秒6万次的运算速度。Intel4004微处理器

第一节微电子技术及其应用1980年，Intel的16位8088微处理器被IBM选中做第一代PC机的核心器件。1982年，Intel推出了80286芯片，内部装有13.4万个晶体管，具有当时的其它16位处理器三倍的性能。1985年，80386处理器投放市场，采用新的32位结构，内装27.5万个晶体管，芯片每秒钟可完成5百万条指令(5MIPS)。1989年，出现了80486处理器，芯片内装120万个晶体管。这种新芯片大约比最初的4004快50倍。1993年，Intel推出了奔腾处理器。奔腾处理器用了310万个晶体管，运算速度到达90MIPS，是原始的4004处理器的1500倍。第一节微电子技术及其应用1997年，Intel推出了具有750万个晶体管的奔腾Ⅱ，AMD推出具有880万个晶体管的K6MMX微处理器。2002年，Intel推出了主频为的奔腾Ⅳ芯片，采用工艺生产。AMD推出了主频为的AthlonXP2000+芯片，性能不比英特尔逊色。2006年，Intel推出酷睿2双核处理器。与上一代处理器相比，酷睿2双核处理器在性能方面提高40%，功耗反而降低40%。该处理器内含亿个晶体管。2007年，AMD推出了四内核Opteron处理器。第一节微电子技术及其应用微电子技术的应用举例通讯卫星、军事雷达、信息高速公路程控、、GPS气象预报、遥感、遥测有线电视、MP4、DVD医疗卫生、能源、交通环境工程、自动化生产、日常生活……第二节计算机的特点及开展历史计算机的特点快速的运算能力足够高的计算精度超强的记忆能力复杂的逻辑判断能力按程序自开工作的能力第二节计算机的特点及开展历史1946年2月15日，世界上第一台电子计算机诞生了，取名ENIAC。它重约30吨，长30米，占地面积170平方米，耗电量为150千瓦，运算速度是每秒5000次，使用了18000多个电子管。世界上第一台电子计算机ENIAC第二节计算机的特点及开展历史第一代〔1946-1958〕电子管作为逻辑元件。存储器采用电子管和延迟线。用机器语言和汇编语言编程序。第二代〔1958-1964〕晶体管为逻辑元件。体积缩小，寿命提高，速度到达每秒几十万次。主存储器用磁芯，外存储器用磁鼓。使用高级语言。第二节计算机的特点及开展历史第二代电子计算机代表机型CDC7600第二节计算机的特点及开展历史第三代〔1964-1971〕采用了集成电路。体积缩小百倍，速度和内存容量提高一个数量级。内存：用半导体存储器代替了磁芯存储器。外存：用磁盘代替了磁鼓。开始建立计算机网络。第二节计算机的特点及开展历史第三代电子计算机代表机型IBM360第二节计算机的特点及开展历史第四代〔1971年以后〕大规模集成电路和超大规模集成电路的采用。形成了软件工程，建立了数据库，出现了大量工具软件。全面建立了计算机网络。多媒体技术迅速开展。第二节计算机的特点及开展历史我国计算机的开展1958年，研制成通用电子管计算机〔又称103机〕，这是我国第一台电子计算机。1964年，研制成晶体管计算机。如DJS-6。1974年，DJS-130通过鉴定并投产。1983年，研制成功“757〞大型计算机和“银河〞巨型计算机。757型机是我国自行设计的第一台大型向量计算机，每秒运行千万次。“银河〞是每秒运算一亿次的计算机。1993年，“银河二号〞巨型机，运算速度高达每秒钟10亿次。第二节计算机的特点及开展历史1995年5月，曙光1000并行计算机。速度达每秒25亿次，内存容量1024MB。1997年6月，“银河━Ⅲ〞并行巨型计算机，运算速度达每秒130亿次以上。1999年1月，曙光2000-I超级效劳器，运算速度可到达每秒200亿次。1999年9月，“神威Ｉ〞，运算速度为每秒3840亿次，主要技术指标和性能到达国际先进水平。2001年，“曙光3000〞巨型计算机，运算速度到达每秒1万亿次。2004年1月，“联想深腾〞计算机到达每秒4.183万亿次，排世界第14位。曙光4000A超级效劳器，每秒10万亿次，排世界第3位。联想、神威、曙光计算机进入世界500强。第三节计算机系统的组成及工作原理组成计算机系统的两大局部硬件系统：计算机系统中的全部设备。包括计算机的主机及外围设备。它由各种机械的、磁性的、电子的装置或部件组成，是计算机进行工作的物质根底。软件系统：使用计算机系统的全部技术。包括计算机中使用的所有程序和有关技术资料。第三节计算机系统的组成及工作原理计算机的硬件系统输入设备。键盘、鼠标器、触摸屏、扫描仪及各种传感器等。输出设备。显示器、打印机、绘图仪等。存储器。存储器有两种：内存储器、外存储器。内存储器可分为只读存储器〔ROM〕和随机存储器〔RAM〕。外存储器。U盘、硬盘和光盘等。运算器。是完成各种算术运算和逻辑运算的装置。控制器。是指挥和控制其各部件协调工作的机构。第三节计算机系统的组成及工作原理计算机的软件系统系统软件。包括：操作系统、程序设计语言的解释程序和编译程序、效劳性程序、数据库管理系统等。应用软件。包括：各种财务软件包、统计软件包、科学计算软件包、人事管理软件、档案管理软件等。第四节计算机的应用一、科学计算科学计算是计算机最早的应用领域，第一批问世的计算机最初取名Calculator，以后又改称Computer，就是因为它们当时全都用作快速计算的工具。计算机不仅速度快、精度高，而且从不会感到疲劳和厌烦。中央电视台每天播出的天气预报，必须事先进行大量的数值运算，我国研制的“银河〞计算机就承担了这一繁重的计算任务。在天文、地质、生物、数学等根底科学研究以及空间技术、新材料研制、原子能研究等高新技术领域中，对计算的速度和精度会不断提出更高的要求。第四节计算机的应用二、信息处理信息已经和物质、能量一起被列为人类社会活动的三个根本要素。信息处理就是指对各种信息进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。计算机信息处理已经广泛应用于办公自动化、企业计算机辅助管理与决策、文字处理、文档管理、情报检索、激光照排、电影电视动画设计、会计电算化、图书管理、医疗诊断等各行各业。目前世界上的计算机80％以上主要用于信息处理。第四节计算机的应用三、自动控制与机器人计算机被广泛地应用于冶金、机械、电力、石油、化工、军事等领域进行实时控制。到1989年底，全世界已有近40万台工业机器人在运行。日本生产的“铺地王〞的泥水机器人，每小时可铺水泥地面5百平方米，约是一个工人工作量的40倍。澳大利亚的剪羊毛机器人，可在20分钟内剪一头羊，轻微损伤只有3%-5%。1966年，美国一架B-52轰炸机不慎把一枚氢弹失落海中，海洋机器人“卡布〞只身把氢弹从750米深的海底捞起。1997年，我国研制的6千米无缆水下机器人深入海底，完满的完成各项太平洋海底调查任务。2007年，中国第二代智能型效劳机器人面世。这是集教育、娱乐、平安和个人助理等功能于一体的机器人。第四节计算机的应用四、计算机辅助系统计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。计算机辅助设计CAD，就是用计算机帮助各类设计人员进行设计。例如，飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等。计算机辅助制造的CAM是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。例如，在生产的制造过程中，用计算机控制机器的运行、处理生产过程中所需的数据、控制和处理材料的流动以及对产品进行检验等。在美国、日本、西欧等兴旺国家，飞机、汽车制造、集成电路企业全都采用CAD/CAM技术，约60％的机械工业、40％的建筑设计部门采用了CAD技术。计算机辅助教育CBE包括：计算机辅助教学CAI、计算机辅助测试CAT和计算机管理教学CMI。第四节计算机的应用五、多媒体应用多媒体是计算机技术与图形、图像、动画、声音和视频等技术相结合的产物。利用多媒体技术可以进行建筑设计、建模、渲染和修改。用多媒体来解决交通问题，对行人、车辆进行实时监控和疏导，可以减少交通拥堵现象。多媒体会议系统，使人们之间的信息交互可以超越时间、空间的约束，进行实时的信息交互。多媒体可用于各种办公系统、监控系统、家庭影院〔VOD〕、远程医疗、远程教学和培训等。第四节计算机的应用六、网络应用我国制订并实施了国家经济信息网、教育科研网和公用数据通信网的建设方案。“金卡〞工程。要在3亿人口中推广使用信用卡。“金关〞工程。加强外贸管理，开展EDI的应用试点。“金桥〞工程。要通过在全国范围内建立主干网、基干网和区域网，联通全国500个大中城市，上万个大、中型企业、科研基地、重点高校和国家经济管理部门。1998年2月，全世界Internet用户为1.13亿，到2002年3月就到达5.4亿。我国上网用户总数，1998年底为210万，2000年8月为1千万，2001年底为3370万，2002年10月为5400万，2005年1月为9400万，2007年3月到达1.37亿，居世界第二位。第四节计算机的应用七、电子商务电子商务是通过计算机和网络进行的商务活动。包括企业内部商务活动〔如生产、管理、财务等〕，也包括企业间的商务活动。把买家、卖家、厂家和合作伙伴利用Internet技术与现有的系统结合起来进行业务活动。我国电子商务已在外经贸、海关、银行、税务等许多领域和层次上得到应用。世界各地的许多公司已经开始通过Internet进行商业交易。他们通过网络方式与顾客、批发商、供货商、股东进行相互间的联系，在网络上进行业务往来。电子商务可以通过网络完成核心业务，改善售后效劳，缩短资金周转时间，从有限的资源中获取更大的收益。第四节计算机的应用八、电子出版物电子出版物是指以数字代码方式将图文声像等信息存储在磁、光、电介质上，通过计算机或者具有类似功能的设备阅读使用，用以表达思想、普及知识和积累文化，并可复制发行的群众传播媒体。电子出版物从功能上主要分为三类：娱乐类、资料类和教学类。通过电脑和网络进行研究是研究方法的革命性的变化。无论是从光盘还是从网络中获得的资料，都适合用电脑进行进一步的处理。第四节计算机的应用九、人工智能人工智能〔AI〕是指用计算机和工程的方法来理解人的智能行为，使计算机能应用在需要认知、感知、推理、学习、理解及其它类似有认识和思维能力的任务中。人工智能理论自1956年诞生之后，经历了博弈、自然语言理解、知识工程和目前的机器学习等阶段。人工智能的成果也得到了较好的应用，如语音识别、手写体和印刷体文字识别、机器翻译、专家系统等。1997年5月，国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫与IBM的超级计算机“深蓝〞下了一场世纪棋赛，展开了一场“人机大战〞。结果，计算机战胜人类冠军，引起了计算机界的轰动。这标志着人工智能的重大进展。专家们预计，深蓝所采用的技术将被广泛地应用在分子动力学、天气预报、决策辅助系统、金融风险分析和数据挖掘等各个方面。第五节计算机技术的开展与展望一、高性能计算机天气预报、刷卡消费、金融效劳、网上购物、视频点播、数字电视等，人们的衣食住行会越来越多地跟高性能计算机紧密地联系在一起。2000年6月，美国IBM公司研制成功当时世界上速度最快的高性能计算机，每秒运算速度达12.3万亿次。2004年1月，日本研制出运算速度每秒40万亿次的超级计算机。2007年7月，排在全球第一位的IBMBlueGene/L计算机运算速度到达280.6TFlop/s〔每秒万亿次〕。我国也已经启动了百万亿次高性能计算机研发方案，具有自主标准的曙光百万亿次计算机将于2021年奥运会召开前推出。高性能计算机开始由超级计算机向超级效劳器方向过渡。第五节计算机技术的开展与展望二、网络计算机网络计算机(NC)是一种通过网络提供大局部资源的无盘工作站，也叫“瘦客户机〞。程序、数据甚至操作系统都可以从网络效劳器下载，不需要硬盘和光盘驱动器。为家庭设计的NC，甚至不需要专门的显示器，新技术的开展可以将电视转化为一种高分辨率的显示器，NC可以直接与电视机相连。由于资源和处理都尽可能集中到网络上，所以NC可以只起进出网络的端口作用。更形象地说，它成为接到网络上的“水龙头〞。随着Internet的蓬勃开展及广泛应用，计算机(Computer)、通信(Communication)、消费类电子(ConsumerElectronics)及内容(Content)的相互结合和渗透而形成的3C或4C信息世界将成为信息技术开展的一个重要趋势。第五节计算机技术的开展与展望三、智能计算机智能计算机是指具有人工智能的计算机系统。对于声音、文字、图形、图像等各种形式的信息处理能力大大增强。具有自然语言的理解能力。用户可以用自然语言与计算时机话。具有学习、联想、推理和解释问题的能力。能处理自然语言或接近自然语言书写的程序。在今后的几年里，计算机语音识别技术、面部表情以及手势识别技术的飞速开展将会给人机界面带来新的革命。冯·诺依曼型计算机虽然在数值计算等方面取得了巨大的成功，但在自学习、联想、记忆、识别、形象思维等方面却显得能力低下。人们期待着新一代计算机的出现。第五节计算机技术的开展与展望四、光计算机光计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。光计算机的运算速度和传输的信息量将大大提高。美国贝尔实验室研制出世界上第一台光计算机，运算速度达每秒10亿次。2004年，以色列已经研制出光处理器，运算速度达每秒