第三章 微电子技术和计算机技术

第三章微电子技术和计算机技术

课时安排：2学时

教学目的、要求：（了解微电子技术和计算机技术、了解人工智能技术、了解计算机技术的发展趋势。

教学重点：集成电路、计算机发展

教学难点：人工智能

教学内容（包括基本内容、重点、难点）：

第一节微电子与计算机技术

一、微电子技术

世界正经历着一场以新的微电子技术为核心的电子信息技术革命。

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(Interrgrated Circuit)，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。