第三章 微电子技术和计算机技术.doc

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1、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

2、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

3、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

4、。(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1001000）；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

5、）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

6、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

7、：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

8、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，1T1003G），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

9、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。CULSI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20102012年可达到0.O70.04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（S

10、OC）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

11、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： 它的存储容量太小； 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12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

12、 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

13、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

14、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

15、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，

16、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点贡献就会名垂表史，如果你是学计算机的就会知道，对于计算机人士而言，获得图灵奖就等于物理学家获得诺贝尔奖一样，图灵在理论上奠定了计算机产生的基础，没有他的杰出贡献

17、世界上根本不可能有这个东西，更不用说什么网络了。2、人工智能的发展人类对于自身智能的思考和对智能拓延的渴望古而有之，比如传说中中国古代的能工巧匠们制造过指南车、铜人、能自行的木牛流马等。到了近现代，随着社会生产的发展和变革，随着社会分工日益细化、专业化的大趋势，出现了大量单一烦琐的复杂工作，让机器来代替人从事这些单调重复但又需要较高专业技能的劳动的需求开始增多。与此同时，科学技术的发展使得人们对客观世界的观察与理解达到了前所未有的高度，人们开始更加关注对人类自身的奥秘的探索。而人最本质也是最独特之处就是人的智能现象。因此对于智能的研究开始成为新兴的热门领域。计算机技术的出现和飞速进步，为人们研

18、究自身的智能提供了崭新的途径。人工智能科学与技术，就是在这种大背景下开始蓬勃发展。对于人工智能科学的研究，既能满足对人类智能的延伸并改进、改善甚至改变人类社会生产方式的需要，又能促进对人类智能的深入认识，从而服务于人类自身的发展。 英国数学家Turing(图灵)（1912-1954）,1936年提出了一种理想计算机的数学模型（图灵机），1950年提出了图灵试验，发表了计算机与智能的论文。当今世界上计算机科学最高荣誉奖励为图灵奖。名词解释：图灵试验。当一个人与一个封闭房间里的人或者机器交谈时，如果他不能分辨自己问题的回答是计算机还是人给出时，则称该机器是具有智能的。以往该试验几乎是衡量机器人工智

19、能的唯一标准，但是从九十年代开始，现代人工智能领域的科学家开始对此试验提出异议：反对封闭式的，机器完全自主的智能；提出与外界交流的，人机交互的智能。（1）专家系统著名的专家系统有DENDRAL化学分析专家系统（斯坦福大学1968）；MACSYMA符号数学专家系统（麻省理工1971）；MYCIN诊断和治疗细菌感染性血液病的专家咨询系统（斯坦福大学1973）；CASNET(Causal ASsciational Network)诊断和治疗青光眼的专家咨询系统（拉特格尔斯（Rutgers）大学70年代中）；CADUCEUS(原名INTERNIST)医疗咨询系统（匹兹堡大学）；HEARSAY I 和I

20、I语音理解系统（卡内基-梅隆大学）；PROSPECTOR地质勘探专家系统（斯坦福大学1976）；XCON计算机配置专家系统（卡内基-梅隆大学1978）。（2）知识工程自古以来，对于知识的研究与探索一直是人类追求的目标。几千年来,哲学家研究有关知识的一般特性与规律，而自然科学家孜孜不倦地猎取具体的知识。20世纪中叶以后，由于信息处理技术的进步，计算机科学家也加入研究知识一般特性与规律的行列。1977年，费根鲍姆教授提出了知识工程的概念，成为知识可操作化的一个里程碑。我们的经济和社会越来越受到知识的驱动，现在说我们生活在一个信息社会里，显然已是老生常谈，快速的浏览一下信息社会方面的文献可以充分的说

21、明这一点。现在，人们常常谈到智能产品、基于知识的服务、智能系统、专家知识系统、智能企业、智能家庭、知识工作者、知识密集和学习组织、知识经济等，这些不仅仅是口号，在产品、服务和社会活动中，知识含量总体来说正在稳步增长。慢慢地，人们开始意识到知识本身是有价值的实体，而且，从某种意义上来说，知识似乎是最不可琢磨的东西。20多年来，知识工程的研究有了很大发展。但它的历史使命不仅远未结束，而且进入一个新时代。知识工程的处理对象已从规范化的、相对好处理的知识进一步深入到非规范化的、相对难处理的知识。它的处理规模和方式从封闭式扩大为开放式，从小手工作坊式的知识工程扩大为能进行海量知识处理的大规模工程。应该说

22、，知识工程和专家系统是近十余年来人工智能研究中最有成就的分支之一。（3）机器视觉人类在生产实践的过程中，面临自身能力的局限性，因而发明和创造了许多智能机器，来辅助或代替人类完成任务。智能机器能模拟人类的功能，感知外部世界并有效地解决人所不能解决的问题。人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感觉器官，其中约80%的信息是由视觉获取的。因此，对智能机器来说，赋予机器以人类视觉功能是极其重要的。把计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性，与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此逐渐形成了一门新学科-机器视觉。机器视觉是研究用计算机来模拟生物宏观视觉功能的科学和技术，就是用机器代替人眼来

23、做测量和判断。首先采用CCD照相机将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如：面积、长度、数量、位置等；最后，根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等。机器视觉的特点是自动化、客观、非接触和高精度，与一般意义上的图像处理系统相比，机器视觉强调的是精度和速度，以及工业现场环境下的可靠性。在工业自动化生产中，涉及到各种各样的检查、测量和零件识别应用，例如自动打靶机、汽车零配件尺寸检查和自动装配的完整性检查、电子装配线的元件自动定位、饮料瓶盖

24、的印刷质量检查，产品包装上的条码和字符识别等。测量、检查和辨识，如：零件装配完整性，装配尺寸精度，零件加工精度，位置/角度测量。零件识别，特性/字符识别等。（4）机器人机器人，是跟人一样有感觉、能思维、能记忆、能判断、会学习、会运动的自动机器人。机器人的眼睛是摄象机，它能将看见的东西记忆下来，然后，听主人吩咐。机器人的耳朵是传音器，它能把主人的命令完成各种指令。机器人不光有跟人一样的器官，不，说不定它们器官比人类的还要好。机器人还有很多的用途。有家庭机器人、侦查机器人、法官机器人、订货机器人、裁判机器人3、我国人工智能研究状况中国也制定了七.五攻关计划和863高技术计划，把人工智能列为重点研究

25、技术之一。从七十年代开始，在国家的支持下，做了一些专家系统的研究，其中医疗诊断系统最多，尤其是中医医疗诊断系统。相对于美国很多探矿、化学等专家系统来说，我国的医疗诊断专家系统也是相当成功的，但是由于医疗风险等问题，投入实际使用的难度比较大。4、人工智能的应用由于智能机器人和第五代计算机研制计划的产生,使人工智能研究从萧条期转入第二个兴旺期并进入黄金时代：由于理论研究的成果(例如各种表示方法的研究)和计算机软、硬件的飞速发展,由于各种专家系统、自然语言处理系统等AI实用系统商业化进入市场并产生较大的经济效益和社会效益，展示了人工智能应用的广阔前景。例如把人工智能系统用于VAX计算机的组装每年为D

26、EC公司节约2000万美元。斯坦福大学国际研究所SRI的R.O.Duda等人1976年开始研制的用于地质勘探的专家系统PROSPECTOR在1982年预测了华盛顿州的一个勘探地段的钼矿位置,其开采价值超过了一亿美元。人工智能公司商业化的自然语言处理系统INTELLECT安装了一百多个。机器翻译研究全面复苏并从实验室走向实用走向市场。数百家计算机公司卷入了计算机视觉系统的研制,已有很多可以满足简单的视觉应用的商用产品面世。智能机器人的研制形成高潮。美军的沙漠风暴：90年代初的沙漠风暴是人工智能技术在军事中应用的一个成功典范。从最简单的货物空运，到复杂的行动协调，都由面向人工智能技术的专家系统来完

27、成。另外先进的巡航导弹也采用了人工智能体领域的机器人和机器视觉技术。在这其中的两个计划：Pilot Associate Project (电子领航员)和Battle Management System Project(军事专家系统)，是人工智能技术成功应用的范例。深蓝系统：1997年IBM的深蓝系统击败了世界冠军卡斯帕洛夫。深蓝系统由一个大型的基于IBM RS/6000的并行计算机组成，应用了人工智能中的博弈理论。深蓝程序用的是人工智能最基本也是最简单的剪枝搜索方法。四、计算机技术的发展趋势现代电子计算技术在短短的几十年内实现了性能价格比数百万倍的增长，也就是在技术性能和功能极其迅速提高的同时，制造成本急剧下降。这在人类文明史和科技发展史上是罕见的。正因为如此，要想精确地预测计算技术发展的未来，几乎是不可能的。十年前，为庆祝世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC问世五十周年，美国计算机学会(ACM)主持编著了一本书，书名：“无法预计”( Beyond Calculation )，副标题：“今后五十年的计算技术”( The Next Fifty Years of Computing)。四思考题1.什么微电子技术？2.什么是集成电路？什么叫集成度？3.简述摩尔定律的内容。4.计算机的发展经历了哪些阶段？各阶段的计算机的特征是什么？