第三章 微电子技术和计算机技术文档格式.docx

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　　微电子技术被称为二十一世纪的先导技术。

　　1、晶体管与集成电路

　　微电子技术诞生的标志是1947年发明的晶体管，微电子产业的快速发展是1958年出现集成电路之后。

（1）晶体管

　　晶体管是一种固体半导体器件，可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。

晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流。

　　（电子技术曰益推广应用过程中，人们在赞扬电子管神奇功能的同时，逐渐发现它存在着的一些缺点：

体积大，重量重，耗电多，寿命短。

电子管逐渐不能满足曰益发展的电子技术的要求。

）

　　1946年1月，贝尔实验室设计出第一个晶体管。

　　晶体管的发明是20世纪物理学发展史上的重要事件，被称为20世纪最重大的发明之一。

半个世纪以来，以晶体管的发明为契机，开创了微电子时代的到来并导致信息革命的出现，极大地改变了人们的生产、生活方式，给社会生产力带来了巨大而深刻的变化。

它是微电子革命的先声，对电子计算机的进一步发展具有决定性意义。

由于这项发明，巴丁、布拉顿、肖克莱同获1956年的诺贝尔物理学奖。

　　晶体管是现代科技史上最重要的发明之一，究其原因有三个方面。

第一，它取代了电子管，成为电子技术的最基本元件，原因是性能好、体积小、可靠性大和寿命长。

第二，它是微电子技术革命的发动者，而信息时代至今的发展就是由微电子技术、光子技术和网络技术三次技术革命组成的，所以它的出现成为报晓信息时代的使者。

第三，晶体管是集成电路和芯片的组成单元，也是光电器件和集成光路的基本组成单元，更是网络技术的基础，只不过光电子晶体管是微电子晶体管的演变或发展罢了。

由于这三方面的原因，晶体管的发明在信息科技的迅速发展中起了决定性的重要作用，它的意义远远超出了一种元器件的发明范围，而成为揭开现代技术新领域和变革几乎各种技术基础的关键。

（2）集成电路

　　1958年，德克萨斯仪器公司发明了集成电路。

　　集成电路：

顾名思义，就是IC（InterrgratedCircuit），将晶体管、电阻、电容、二极管等电子组件整合装至一芯片（chip）上，所构成的元件。

小规模集成电路（集成度小于100）；

中规模集成电路（集成度在100——1000）；

大规模集成电路（集成度大于1000）；

超大规模集成电路（集成度大于10万）；

　　（3）集成电路的应用

　　请大家找一找身边的集成电路。

　　在计算机、通信、网络、消费类产品得到广泛应用。

　　（4）微电子技术发展的特点

　　A．集成电路技术的高速发展：

几十年来集成电路（IC）技术一直以极高的速度发展。

著名的摩尔（Moore）定则指出，IC的集成度（每个微电子芯片上集成的器件数）每3年左右为一代，每代翻两番。

　　在集成度一代代提高的同时，芯片的性能、功能不断增强，而价格却不断下跌。

这一现象的深远意义在于，随着微电子芯片技术的快速发展，一切微电子产品（计算机、通信及消费类产品等）也加速更新、换代；

不仅新一代产品性能、功能大大超过前一代，而且价格的越来越便宜又为电子信息技术的不断推进及其迅速推广应用到各个领域创造了条件，导致了人类信息化社会的到来。

　　一般常以动态存贮器（DRAM）芯片的存贮容量来代表IC芯片的集成度，用微处理器（MPU）芯片的主频来衡量当时IC芯片能达到的速度。

当前IC已达到特大规模集成（ULSI--集成度大于108）阶段，DRAM最高的己达到256兆位（256Mbit），按Moore定则推算，预期到2012年前后可达256吉位（256Gbit,1吉位=1003兆位）。

一套大百科全书的信息容量约为1Gbit，人脑的信息贮量为4Gbit，这表明当前的3个DRAM芯片己几乎能存下一套大百科全书的全部信息，而到2012年1个256Gbit的DRAM芯片的信息容量将等于64个人的脑子。

当前高速PC机的MPU工作频率可达500兆赫（MHz），预期到2012年左右可达到10吉赫（10GHz，1吉赫＝1003兆赫）或更高。

上述数值举例表明，进入21世纪，微电子技术仍将高速发展。

　　B．信息技术发展是ULSI发展的推动力：

人们容易看到微电子芯片一代代发展所推动的计算机、通信和消费电子产品的快速更新换代，而忽视了正是这些电子信息产品的发展需要推动着IC技术的高速进展。

　　当前集成电路世界市场（包括一些半导体其它产品）约为1500亿美元，预计2010年可达到10000亿美元以上，更重要的是，正是IC技术支撑着近7倍左右的电子工业市场和数十倍乃至百倍的信息产业市场。

而又正是这些市场的驱动，使人们有意愿不断地向微电子基础技术--ULSI技术进行高额的科技和工业设施投入，从而促成了IC技术发展的良性循环。

　　21世纪初期信息技术发展的方向是多媒体（智能化）、网络化、个人化，计算机、通信和消费电子的一体化（C3化）。

这要求电子信息系统能获取、存贮和处理容量更大的信息，更精确、更高速地传输和处理这些信息，并准确、实时地显示和应用这些信息。

总结起来说，以上这些对微电子芯片的要求是：

存贮密度更高，工作速度更快，功能更强和功耗更小，我们可以扼要地把上述要求归结为：

把当前的3G指标推进到21世纪初期的3T指标（G＝吉，T＝太，1T＝1003G），即，存贮容量由Gbit计发展到以Tbit计；

处理速率由GOPS（每秒作吉次操作）计发展到TOPS（每秒作太次操作）计；

传输速率则从Gbps（每秒传输吉位数字信息）计发展到Tbps（每秒传输太位信息）计。

也就是说，要把芯片的存贮容量、工作速度和传输能力（实现远距离光纤传输包括对光纤技术的要求）再提高千倍。

这个指标，表明至少在21世纪前期微电子技术的高速发展不仅是可能的而且是十分迫切需要的。

　　C．ULSI发展的两个方向：

ULSI技术发展在21世纪有两个紧密联系的方向。

　　其一是上面已提到的，依靠加工特征线宽的不断缩小使集成密度、速度不断提高和功耗不断降低，以制作出功能更强、性能更好、用途更广的旧芯片。

当前工业大生产的特征线宽为0.25微米，小批量试生产可达到0.18微米，预计到2010～2012年可达到0.O7～0.04微米，相应的门电路延时则由今天的纳秒（ns）级进步到皮秒〔ps〕级。

为了达到这个目标，首要的技术问题是光刻精度问题。

　　其二是发明出新的原理的集成微电子器件；

更有可能的是沿着系统级芯片（SOC）发展道路，突破传统上基于当代计算机系统处理人类和认识问题的能力极限，创造出基于更新的原理和结构的系统芯片。

二、计算机技术

　　1、计算机的发展

（1）“埃尼阿克”的诞生

　　1946年2月15日是计算机发展史上值得纪念的一个日子。

这一天美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院喜气洋洋，许多人心情激动地来到莫尔学院，参加一个可载入史册的典礼，即人类历史上第一台现代电子计算机的揭幕典礼。

这台机器名为“电子数值积分和计算机”（简称埃尼阿克），它看上去完全是一个庞然大物，占地面积达170m2，质量达30t，耗电量也很惊人，功率为150kW，共使用了近两万个电子管，在工作时这些管子看上去活像两万只点着的灯泡。

埃尼阿克主要用来进行弹道计算的数值分析，用十进制进行计算。

它在1s埃尼阿克计算机内能进行数百次的加法运算，这在当时已是划时代的高速计算机了。

　　然埃尼阿克的运算速度已经相当快了，但是，它仍然没有最大限度地发挥采用电子技术所提供的巨大潜力。

初生的电子计算机存在着明显的缺陷：

①它的存储容量太小；

②它的程序是用线路连接的方式实现的，不能存储。

为了进行几分钟或几小时的数字计算，要花费几小时甚至1～2天的时间做准备。

而且，由于它耗电量大，工作起来常常会因烧坏电子管而被迫停机检修。

（2）计算机的发展

　　A第一代计算机（1946-1958）——电子管计算机。

　　1951年6月14日，由莫克利和埃克特设计的世界上第一台通用自动计算机UNIVACI正式交付使用。

这是一台串行运算同步控制的计算机，它不仅能做科学计算，而且能做数据处理，从而为计算机研制进入更广阔的领域开辟了道路。

　　B第二代计算机（1958-1964）——晶体管计算机。

　　1959年，美国的菲尔克公司研制成功第一台大型通用晶体管计算机，表明计算机技术进入了一个新台阶。

同电子管相比，晶体管体积小，质量轻，寿命长，耗电小；

采用晶体管做逻辑元件，并使用了快速磁芯存储器，使计算机的运算速度一下子从每秒几千次提高到几十万次，主存储器容量从几千字提高到十万字。

体积成倍缩小，售价也成倍降低，这立即在计算机发展史上引发了一次革命。

在20世纪60年代初期，美国突然出现了计算机的“爆炸性发展”的局面。

　　告别机器指令时代，出现FORTRAN、COBOL、BASIC等高级编程语言和批处理为主的操作系统。

　　C第三代计算机（1964-1971）——集成电路计算机。

　　集成电路的可靠性更高，功耗更少，体积也更为微小，使得计算机的造价大幅度降低，计算机的性能有了极大的飞跃。

　　IBM360型计算机是迄今为止历史上获得最大成功的一个通用计算机系列。

它具有通用化、系列化、标准化的特点。

它可以代替第二代各种类型的大多数小型计算机。

　　D第四代计算机（1971-现在）——大规模集成电路计算机。

　　1971年，美国英特尔公司最新推出了名为4004的大规模集成电路片。

以这类微处理机为核心的电子计算机就是微型计算机。

它使计算机进入了几乎所有的行业，甚至渗透到办公室和家庭，并用于游戏和娱乐。

巨型机的诞生也是第四代计算机的一个引人注目的成就。

　　巨型机的运算速度可达每秒数千万次至数十亿次。

这类处理速度极快、存储容量极大的计算机系统，在现代化的大规模工程建设、军事防御系统、国民经济宏观管理以及社会发展中的大范围统计、复杂的科学计算和数据处理等方面大有用武之地。

　　（3）电子计算机的发展方向

　　A巨型化

　　B微型化

　　C网络化

　　2、微处理器的升级

　　三、人工智能

　　1、人工智能的定义

　　指用计算机模拟人的思维和推理过程。

　　由计算机来表示和执行人类的智能活动，如判断、识别、理解、学习、规划和问题求解等。

　　人工智能（AI）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。

人工智能是包括十分广泛的科学，它由不同的领域组成，如机器学习，计算机视觉等等，总的说来，人工智能的目的就是让计算机这台机器能够象人一样思考。

这可是不是一个容易的事情。

如果希望做出一台能够思考的机器，那就必须知道什么是思考，更进一步讲就是什么是智慧，它的表现是什么，你可以说科学家有智慧，可你决不会说一个路人什么也不会，没有知识，你同样不敢说一个孩子没有智慧，可对于机器你就不敢说它有智慧了吧，那么智慧是如何分辨的呢？

我们说的话，我们做的事情，我们的想法如同泉水一样从大脑中流出，如此自然，可是机器能够吗，那么什么样的机器才是智慧的呢？

科学家已经制造出了汽车，火车，飞机，收音机等等，它们模仿我们身体器官的功能，但是能不能模仿人类大脑的功能呢？

到目前为止，我们也仅仅知道这个装在我们天灵盖里面的东西是由数十亿个神经细胞组成的器官，我们对这个东西知之甚少，模仿它或许是天下最困难的事情了。

　　在定义智慧时，英国科学家图灵做出了贡献，如果一台机器能够通过称之为图灵实验的实验，那它就是智慧的，图灵实验的本质就是让人在不看外型的情况下不能区别是机器的行为还是人的行为时，这个机器就是智慧的。

不要以为图灵只做出这一