第1章信息与微电子技术PPT讲稿.ppt

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1、第第1章信息与微电子技术章信息与微电子技术第1页，共36页，编辑于2022年，星期日1.1 信息与信息技术信息与信息技术（1）什么是信息）什么是信息（2）信息处理与信息技术）信息处理与信息技术（3）信息处理系统）信息处理系统第2页，共36页，编辑于2022年，星期日信息是什么？信息是什么？(1)n关于信息（关于信息（information），至今并没有统一的定），至今并没有统一的定义义n日常生活中比较笼统和模糊的几种解释是：日常生活中比较笼统和模糊的几种解释是：n语言、文字、图画、照片等表示的内容（新闻、消息语言、文字、图画、照片等表示的内容（新闻、消息或知识）或知识）n读书、上课、交谈等所学

2、习和了解的知识、方法、事读书、上课、交谈等所学习和了解的知识、方法、事实和情况实和情况n为了做判断、订计划或求解问题等所需要的数据、资为了做判断、订计划或求解问题等所需要的数据、资料料n第3页，共36页，编辑于2022年，星期日信息是什么？信息是什么？(2)n中国大百科全书的解释：从认识论层次来看，信息是指认识主体所感中国大百科全书的解释：从认识论层次来看，信息是指认识主体所感知或主体所表述的知或主体所表述的“事物运动的状态及状态变化的方式事物运动的状态及状态变化的方式”n信息因它所表达的内容而有一定的价值，也因能相互交流信息因它所表达的内容而有一定的价值，也因能相互交流而体现其作用而体现其作

3、用n信息有多种表现形式，语言、文字、声音、图片等都是信息的表现形信息有多种表现形式，语言、文字、声音、图片等都是信息的表现形式式(也称为信息的载体或媒体也称为信息的载体或媒体)n信息与物质和能量同样重要，它是人们认识世界、改造世信息与物质和能量同样重要，它是人们认识世界、改造世界的一种基本界的一种基本资源资源第4页，共36页，编辑于2022年，星期日什么是信息处理？什么是信息处理？n信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动：信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动：n信息的收集信息的收集(如信息的感知、测量、获取、输入等如信息的感知、测量、获取、输入等)n信息的加工信息的加工(如信息的分类、计

4、算、分析、转换等如信息的分类、计算、分析、转换等)n信息的存储信息的存储(如书写、摄影、录音、录像等如书写、摄影、录音、录像等)n信息的传递信息的传递(如邮寄、电报、电话、广播等如邮寄、电报、电话、广播等)n信息的施用信息的施用(如控制、显示等如控制、显示等)第5页，共36页，编辑于2022年，星期日人工进行信息处理的过程人工进行信息处理的过程 n人工信息处理的不足：人工信息处理的不足：n 算不快算不快n 记不住记不住n 传不远传不远n 看（听）不清看（听）不清事物客体事物客体信息获取信息获取(感觉器官感觉器官)信息加工与信息加工与存储存储(大脑大脑)信息传递信息传递(神经系统神经系统)信息施

5、用信息施用(效应器官效应器官)信息传递信息传递(神经系统神经系统)信息技术（信息技术（IT）手/脚/身眼/耳/鼻/舌/身第6页，共36页，编辑于2022年，星期日什么是信息技术？什么是信息技术？n信息技术（信息技术（InformationTechnology，简称，简称IT）指）指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。地进行信息处理的一门技术。n信息技术包括：信息技术包括：n扩展感觉器官功能的扩展感觉器官功能的感测感测(获取获取)与识别技术与识别技术n扩展神经系统功能的扩展神经系统功能的通信技术通信技术n扩展大脑功能的

6、扩展大脑功能的计算计算(处理处理)与存储技术与存储技术n扩展效应器官功能的扩展效应器官功能的控制与显示技术控制与显示技术n第7页，共36页，编辑于2022年，星期日信息技术的发展历史信息技术的发展历史语言的形成和使用语言的形成和使用文字的创造文字的创造印刷技术的发明印刷技术的发明望远镜、显微镜望远镜、显微镜电报和电话通信电报和电话通信广播、电视广播、电视雷达、卫星（遥感感测）雷达、卫星（遥感感测）计算机、机器人计算机、机器人因特网（因特网（Internet）第8页，共36页，编辑于2022年，星期日现代信息技术现代信息技术n3大特征：大特征：n采用电子技术（包括激光技术）采用电子技术（包括激光

7、技术）n以数字技术（计算机）为基础以数字技术（计算机）为基础n以软件为核心以软件为核心n内容：内容：n计算机计算机、微电子微电子、通信通信、广播、遥感遥测、自动控制、广播、遥感遥测、自动控制、机器人等机器人等第9页，共36页，编辑于2022年，星期日什么是信息处理系统？什么是信息处理系统？n用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统综合使用各种信息技术的系统，可以通称为信息处理系统，可以通称为信息处理系统n信息处理系统的结构：信息处理系统的结构：传输传输/存储存储信息加工信息加工传输传输/存

8、储存储控制与显示控制与显示感测与识别感测与识别信息输入信息输入信息输出信息输出第10页，共36页，编辑于2022年，星期日信息处理系统举例信息处理系统举例n雷达雷达：以感测与识别为主要目的以感测与识别为主要目的n电视电视/广播：广播：以单向、点到多点的信息传递为主要以单向、点到多点的信息传递为主要目的目的n电话电话：以双向、点到点的信息交互为主要目的：以双向、点到点的信息交互为主要目的n银行：银行：以处理金融信息为目的以处理金融信息为目的n图书馆：图书馆：以信息收藏和检索为主要目的以信息收藏和检索为主要目的n因特网因特网：跨越全球的多功能信息处理系统：跨越全球的多功能信息处理系统第11页，共3

9、6页，编辑于2022年，星期日1.2 微电子技术简介微电子技术简介（1）微电子技术与集成电路）微电子技术与集成电路（2）集成电路的制造）集成电路的制造（3）集成电路的发展趋势）集成电路的发展趋势（4）IC卡卡第12页，共36页，编辑于2022年，星期日(1)(1)微电子技术与集成电路微电子技术与集成电路 微电子技术是信息技术领域中的关键技微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础基础 微电子技术的核心是集成电路技术微电子技术的核心是集成电路技术第13页，共36页，编辑于2022年，星期日电子电路中元器件的发展演变电子电路中元器

10、件的发展演变晶体管晶体管(1948)中中/小规模小规模集成电路集成电路(1950s)n微电子技术是以微电子技术是以集成电路集成电路为核心的电子技术，它为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。的。大规模大规模/超大规模超大规模集成电路集成电路(1970s)电子管电子管(1904)第14页，共36页，编辑于2022年，星期日什么是集成电路？什么是集成电路？n集成电路集成电路(Integrated Circuit，简称，简称IC)：以半导体单晶片作为基片以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体采用平面工艺，将晶体管、电阻、电

11、容等元器件及其连线所构成的电路制管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统n集成电路的优点：集成电路的优点：n体积小、重量轻体积小、重量轻n功耗小、成本低功耗小、成本低n速度快、可靠性高速度快、可靠性高超大规模集成电路超大规模集成电路小规模集成电路小规模集成电路第15页，共36页，编辑于2022年，星期日集成电路的分类集成电路的分类n按用途分：按用途分：n通用集成电路通用集成电路n专用集成电路（专用集成电路（ASIC）n按电路的功能分：按电路的功能分：n数字集成电路数字集成电路n模拟集成电路模拟集成电路n按晶体管

12、结构、电路和工艺分：按晶体管结构、电路和工艺分：n双极型（双极型（Bipolar）电路）电路n金属氧化物半导体金属氧化物半导体(MOS)电路电路nn按集成度按集成度(芯片中包含的元器件数目芯片中包含的元器件数目)分：分：集成电路规模元器件数目小规模集成电路（SSI）100中规模集成电路（MSI）1003000大规模集成电路（LSI）300010万超大规模集成电路（VLSI）10万几十亿极大规模集成电路（ULSI）100万第16页，共36页，编辑于2022年，星期日附：常见集成电路产品的类型附：常见集成电路产品的类型混混合合电电路路A/D转换器转换器D/A转换器转换器第17页，共36页，编辑于2

13、022年，星期日(2)(2)集成电路的制造集成电路的制造(选学选学)集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终产品包装大集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终产品包装大约需要约需要400400多道工序多道工序，工艺复杂且技术难度非常高，有一系，工艺复杂且技术难度非常高，有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。尘厂房内完成。目前兴建一个有两条生产线能加工目前兴建一个有两条生产线能加工8 8英寸晶圆的集成电英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币路工厂需投资人民币1010亿元以上。亿元以上。第18页，共36页，编辑于

14、2022年，星期日集成电路的制造流程集成电路的制造流程硅抛光片硅抛光片单晶硅锭单晶硅锭经切单晶硅锭经切割、研磨和抛割、研磨和抛光后制成镜面光后制成镜面一样光滑的圆一样光滑的圆形薄片，称为形薄片，称为“硅抛光片硅抛光片”晶圆晶圆晶圆晶圆硅平面工艺硅平面工艺硅平面工艺硅平面工艺硅平面工艺包括氧化、光刻、硅平面工艺包括氧化、光刻、掺杂和互连等工序，最终在掺杂和互连等工序，最终在硅片上制成包含多层电路及硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。通常电子元件的集成电路。通常每一硅抛光片上可制作成百每一硅抛光片上可制作成百上千个独立的集成电路，这上千个独立的集成电路，这种整整齐齐排满了集成电路种整整齐齐

15、排满了集成电路的硅片称作的硅片称作“晶圆晶圆”芯片芯片芯片芯片检测、分类检测、分类检测、分类检测、分类集成电路集成电路集成电路集成电路封装封装封装封装对晶圆上的每个对晶圆上的每个电路进行检测，电路进行检测，然后将晶圆切开然后将晶圆切开成小片，把合格成小片，把合格的电路分类，再的电路分类，再封装成一个个独封装成一个个独立的集成电路立的集成电路成品测试成品测试成品测试成品测试成品成品成品成品进行成品测试，进行成品测试，按其性能参数按其性能参数分为不同等级，分为不同等级，贴上规格型号贴上规格型号及出厂日期等及出厂日期等标签，成品即标签，成品即可出厂可出厂第19页，共36页，编辑于2022年，星期日集

16、成电路的封装集成电路的封装 集成电路封装目的：集成电路封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能电功能、散热功能、机械与化学保护功能 常见的封装方式：常见的封装方式：n 单列直插式（单列直插式（SIP）n 双列直插式双列直插式（DIP）n 阵列式（阵列式（PGA）n 塑料有引线芯片载体（塑料有引线芯片载体（PLCC）n 扁平贴片式扁平贴片式(P PQFP)n n 球栅阵列封装球栅阵列封装球栅阵列封装球栅阵列封装(BGA)(BGA)n 小外形封装（小外形封装（SOP）第20页，共36页，编辑于2022年，星期日FC-PGA2 FC-PGA2 封装方式封装方式（Pentium 4 Pentiu

17、m 4 处理器）处理器）集成电路插座集成电路插座集成电路插座集成电路插座集成电路的封装形式集成电路的封装形式第21页，共36页，编辑于2022年，星期日(3)(3)集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势 集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。晶体管集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。越快，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连

18、接线的尺寸上下功夫。电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。第22页，共36页，编辑于2022年，星期日IC集成度提高的规律集成度提高的规律Moore定定律律：单单块块集集成成电电路路的的集集成成度度平平均均每每18个个月月翻翻一一番番 (Gordon E.Moore,1965年年)晶体管数晶体管数例例：Intel微处理器集成度的发展微处理器集成度的发展n酷睿酷睿2双核双核（2006）291410M晶体管晶体管n酷睿酷睿2四核四核（2007）820M晶体管晶体管1 000197019751980198519901995200010 000100 00010610 x106 100 x10640048

19、008808080868028680386PentiumPentium IIPentium IIIPentium 48048620101000 x106CORE 2 DuoCORE 2 Quad第23页，共36页，编辑于2022年，星期日集成电路技术的发展趋势集成电路技术的发展趋势19992001200420082014工艺(m)0.180.130.090.0450.014晶体管(M)23.847.61355393500时钟频率(GHz)1.21.62.02.65510面积(mm2)340340390468901连线层数678910晶圆直径(英寸)1212141618n减小蚀刻尺寸，缩小晶体管

20、、电阻、电容和连线的尺寸减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸n增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片第24页，共36页，编辑于2022年，星期日进一步提高集成度的问题与出路进一步提高集成度的问题与出路n问题：问题：n线线宽宽进进一一步步缩缩小小后后，晶晶体体管管线线条条小小到到纳纳米米级级时时，其其电电流流微微弱弱到到仅仅有有几几十十个个甚甚至至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作n出路：出路：n在在纳纳米米尺尺寸寸下下，纳纳米米结结构构会会表表现现出出一一些些新新的的

21、量量子子现现象象和和效效应应，人人们们正正在在利利用用这这些些量量子子效效应应研研制制具具有有全全新新功功能能的的量量子子器器件件，使使能能开开发发出出新新的的纳纳米米芯芯片片和和量子计算机量子计算机n同同时时，正正在在研研究究将将光光作作为为信信息息的的载载体体，发发展展光光子子学学，研研制制集集成成光光路路，或把电子与光子并用，实现或把电子与光子并用，实现光电子集成光电子集成第25页，共36页，编辑于2022年，星期日 (4)IC卡简介卡简介几乎每个人每天都与几乎每个人每天都与ICIC卡打交道，例如我们的身份证、手机卡打交道，例如我们的身份证、手机SIMSIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是卡

22、、交通卡、饭卡等等，什么是ICIC卡？它有哪些类型和用卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下面是简单介绍。途？工作原理大致是怎样的？下面是简单介绍。第26页，共36页，编辑于2022年，星期日什么是什么是 IC卡？卡？nIC卡卡(chip card、smart card)，又又称称为为集集成成电电路路卡卡，它它是是把把集集成成电电路路芯芯片片密密封封在在塑塑料料卡卡基基片片内内，使使其其成成为为能能存存储储信信息息、处处理理和和传传递递数据的载体数据的载体n特点：特点：n存储信息量大存储信息量大n保密性能强保密性能强n可以防止伪造和窃用可以防止伪造和窃用n抗干扰能力强抗干扰能力强n可

23、靠性高可靠性高n应用举例：应用举例：n作作为为电电子子证证件件，记记录录持持卡卡人人的的信信息息，用用作作身身份份识识别别（如如身身份份证证、考考勤勤卡卡、医医疗卡、住房卡等）疗卡、住房卡等）n作为作为电子钱包电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）（如电话卡、公交卡、加油卡等）第27页，共36页，编辑于2022年，星期日IC卡的类型卡的类型(按芯片分类按芯片分类)n存存储储器器卡卡：封封装装的的集集成成电电路路为为存存储储器器，信信息息可可长长期期保保存存，也也可可通通过过读读卡卡器器改改写写。结结构构简简单单，使使用用方方便便。用用于于安安全全性性要要求求不高的场合，如电话卡、水电费卡、公交

24、卡、医疗卡等不高的场合，如电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等（带带加密逻辑的存储器卡加密逻辑的存储器卡增加了加密电路增加了加密电路）nCPU卡卡：封封装装的的集集成成电电路路为为中中央央处处理理器器（CPU）和和存存储储器器，还还配配有有芯芯片片操操作作系系统统(Chip Operating System)，处处理理能能力力强强，保保密密性性更更好好，常常用用作作证证件件和和信信用用卡卡使使用用。手手机机中中使使用用的的SIM卡卡就就是一种特殊的是一种特殊的CPU卡。卡。第28页，共36页，编辑于2022年，星期日IC卡的类型卡的类型(按使用方式分类按使用方式分类)n接触式接触式IC卡卡(如电

25、话如电话IC卡卡)n表表面面有有方方型型镀镀金金接接口口，共共8个个或或6个个镀镀金金触触点点。使使用用时时必必须须将将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。n用用于于信信息息量量大大、读读写写操操作作比比较较复复杂杂的的场场合合,但但易易磨磨损损、怕脏、寿命短怕脏、寿命短n非接触式非接触式IC卡卡(射频卡、感应卡射频卡、感应卡)n采采用用电电磁磁感感应应方方式式无无线线传传输输数数据据，解解决决了了无无源源（卡卡中中无电源）和免接触问题无电源）和免接触问题n操操作作方方便便，快快捷捷，采采用用全全密密封封胶胶固固化化，防防水水、防防污污，使使用用寿寿命命

26、长长n用于读写信息较简单的场合，如身份验证等用于读写信息较简单的场合，如身份验证等 接触式接触式IC卡卡接触式接触式IC卡的结构卡的结构非接触式非接触式IC卡卡第29页，共36页，编辑于2022年，星期日非接触式非接触式IC卡的工作原理（选学）卡的工作原理（选学）读卡器发出一组固定频率的无线电波(射频信号)，通过天线向外发射IC卡激活后，通过辐射电磁信号将卡内数据发射出去(或接收读卡器送来的数据)当IC卡处在读卡器有效范围(一般为510cm)内时，卡内的一个LC串联谐振电路(谐振频率相同的)便产生电磁共振，使电容充电，从而为卡内其它电路提供2V的工作电压读卡器收到数据后，通过接口将IC卡数据传

27、送给PC，PC将判断该卡的合法性，作出相应处理第30页，共36页，编辑于2022年，星期日非接触式非接触式IC卡在身份证中的使用卡在身份证中的使用n第二代身份证使用非接触式第二代身份证使用非接触式CPU卡，可实现卡，可实现“电子防伪电子防伪”和和“数字数字管理管理”两大功能两大功能：n电子防伪措施：个人数据和人脸图像经过加密后存储在芯片中，需电子防伪措施：个人数据和人脸图像经过加密后存储在芯片中，需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。以后还可以将人体生物要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。以后还可以将人体生物特征如指纹等保存在芯片中，以进一步提高防伪性能特征如指纹等保存在芯片中，以进一步提

28、高防伪性能n数字管理功能：数字管理功能：n存储器能储存多达几兆字节的信息，采用分区存储，按不同安全等存储器能储存多达几兆字节的信息，采用分区存储，按不同安全等级授权读写级授权读写n采用数据库和网络技术，实现全国联网快速查询和身份识别，使二代证在公共安全、采用数据库和网络技术，实现全国联网快速查询和身份识别，使二代证在公共安全、社会管理、电子政务、电子商务等方面发挥重要作用社会管理、电子政务、电子商务等方面发挥重要作用第31页，共36页，编辑于2022年，星期日附：背景材料附：背景材料第32页，共36页，编辑于2022年，星期日IC技术发展技术发展减小蚀刻尺寸减小蚀刻尺寸n减小蚀刻尺寸，缩小晶体

29、管、电阻、电容和连减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸线的尺寸n尺寸越小，开关速度越快，性能越高尺寸越小，开关速度越快，性能越高n相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本越低越低n8086的蚀刻尺寸为的蚀刻尺寸为3mnPentium的蚀刻尺寸是的蚀刻尺寸是0.80mnPentium4的蚀刻尺寸当前是的蚀刻尺寸当前是0.09m（90纳米）纳米）n酷睿酷睿2双核的蚀刻尺寸为双核的蚀刻尺寸为0.065m（65纳米）纳米）n酷睿酷睿2四核的蚀刻尺寸为四核的蚀刻尺寸为0.045m（45纳米）纳米）第33页，共36页，编辑于2022年，星期日IC技术

30、发展技术发展增大晶圆面积增大晶圆面积n增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片产更多的芯片n比如，使用比如，使用0.13微米的工艺在微米的工艺在200mm的晶圆上可以生产大约的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用同样工艺个处理器核心，而使用同样工艺在在300mm的晶圆可以制造大约的晶圆可以制造大约427个处理器核心，而实际成本提高不个处理器核心，而实际成本提高不多多第34页，共36页，编辑于2022年，星期日Intel CPU芯片工艺的进展芯片工艺的进展第35页，共36页，编辑于2022年，星期日1992以来以来IntelCPU芯片面积大小和工艺水平的变化芯片面积大小和工艺水平的变化.第36页，共36页，编辑于2022年，星期日