现代电子信息技术的现况及发展趋势课件

现代电子信息技术的现状及发展趋势

2023/3/1512023/3/152当前社会是信息社会，信息技术目前还没有一个十分统一的定义。

从广义上讲，凡是与上述诸方面相关的技术都可以叫做信息技术，通常可分为四类，即感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术。所谓感测技术，是指对信息的传感、采集技术；通信技术是传递信息的技术；计算机技术是处理、存储信息的技术；控制技术则是使用与反馈信息的技术。

一般认为，信息技术就是获取、处理、传递、储存、使用信息的技术。2023/3/153

信息技术的应用性很强，因此又常被称作“3C”技术、“3A”技术等等，此外还有“3D”之说。

3A是指工厂自动化(FactoryAutomation)、办公自动化(OfficeAutomation)和家庭自动化(HomeAutomation)。3C是指通信(Communication)、计算机(Computer)、控制(Control)三种技术，它们的英文名称的第一个字母都是“C”，所以简称3C技术。“3D”是指数字传输(DigitalTransmission)、数字交换(DigitalSwitching)、数字处理(DigitalProcessing)三种数字技术。2023/3/155

电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。1．电子技术电子技术的应用基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI主要阶段概述

第一代电子

产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿

命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。

分立元件阶段晶体管时代（1948～1959）宇宙空间的探索即将开始主要大事记1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管1948年贝尔实验室的香农发表信息论的论文英国采用EDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机1949年诺伊曼提出自动传输机的概念1950年麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器1952年美国爆炸第一颗氢弹1954年贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅1957年苏联发射第一颗人造地球卫星1958年美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路2023/3/15101947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管

W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖2023/3/15111958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖集成电路阶段

集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。可编程逻辑器件（PLD）微控制芯片（MCU）数字信号处理器（DSP）大规模存储芯片（RAM/ROM）

以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，已经成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。目前，发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电路相关,美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山。预计未来10年内，世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长，2010年将达到6000~8000亿美元。

作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。

集成电路阶段2023/3/1514

集成电路的集成度和产品性能每18个月增加一倍。据专家预测,今后20年左右,集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。

集成电路最重要的生产过程包括：开发EDA(电子设计自动化)工具利用EDA进行集成电路设计根据设计结果在硅圆片上加工芯片(主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀)

对加工完毕的芯片进行测试为芯片进行封装最后经应用开发将其装备到整机系统上与最终消费者见面。集成电路阶段2023/3/1515

我国集成电路产业起步于20世纪60年代，80年代中期我国集成电路的加工水平为5微米，其后，经历了3、1、0.8、0.5、0.35微米的发展，目前达到了0.18微米的水平，而当前国际水平为0.09微米（90纳米），我国与之相差约为2-3代。

2001年全国集成电路产量为64亿块，销售额200亿元人民币。2002年6月,共有半导体企事业单位651家,其中芯片制造厂46家,封装、测试厂108家,设计公司367家,分立器件厂商130家,从业人员11.5万人。设计能力0.18~0.25微米、700万门,制造工艺为8英寸、0.18~0.25微米,主流产品为0.35~0.8微米。

与国外的主要差距：一是规模小，2000年,国内生产的芯片销售额仅占世界市场总额的1.5%，占国内市场的20%；二是档次低，主流产品加工技术比国外落后两代；三是创新开发能力弱，设计、工艺、设备、材料、应用、市场的开发能力均不十分理想，其结果是今天受制于人,明天后劲乏力；四是人才欠缺。

集成电路阶段2023/3/15172023/3/1518IC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法满足性能日益提高的整机系统的要求IC设计与制造技术水平的提高，IC规模越来越大，已可以在一个芯片上集成108~109个晶体管分立元件集成电路IC

系统芯片SystemOnAChip(简称SOC)将整个系统集成在一个微电子芯片上系统芯片(SOC)与集成电路(IC)的设计思想是不同的，它是微电子技术领域的一场革命。集成电路走向系统芯片将敏感器、执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成信息获取、处理、存储和执行的系统功能。政府的策略：《中共中央国务院关于加强技术创新，发展高科技，实现产业化的决定》指出：“突出高新技术产业领域的自主创新，培育新的经济增长点，在电子信息特别是集成电路设计与制造、网络及通信、计算机及软件、数字化电子产品等方面，……加强高新技术创新，形成一批拥有自主知识产权、具有竞争优势的高新技术产业”。

专家的共识：中国科学院、中国工程院专门成立了包括师昌绪、王淀佐、王越、王阳元等10位院士组成的专家咨询组。在大量调查研究的基础上，专家们建议，我国在“十五”期间要像当年搞“两弹一星”一样，集中国家有限的人力和财力，开发有自主知识产权的新一代微电子核心工艺技术及产品。专家的意见和政府的策略

集成电路发展目前仍以摩尔定律所揭示的规律向前发展，晶圆的面积也在不断地加大，以软／硬件协同设计、具有知识产权的内核（IP核）复用和超深亚微米技术为支撑的系统芯片(SystemonChip－SOC)是超大规模集成电路发展的趋势和新世纪集成电路的主流。

IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成，其目标就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去，力图吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现，以单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统，而是一个带有柔性性能的软、硬件集合体的电子系统。SoC是微电子领域IC设计的最终目标。EDA技术SOC设计方法学SoC设计中的问题移值方法学

无网表核与版图相关的步长宽长比例失配手绘版图时序问题

时钟重分配硬核宽度与间距不一致芯片多重布线导致的RC寄生效应时序重验证电路时序工艺与原始材料问题

非工业标准工艺特性

N阱衬底的连接衬底原始材料端口与目标工艺的层间差异其它问题

混合信号设计不可移值模拟电路的精度功耗问题在2001年举行的国际HDL会议上，与会者就使用何种设计语言展开了生动、激烈的辩论。最后，与会者投票表决：如果要启动一个芯片设计项目，他们愿意选择哪种方案?结果，仅有2票或3票赞成使用SystemC、Cynlib和CLevel设计；而Superlog和Verilog各自获得了约20票。至于以后会是什么情况，连会议主持人JohnCooley也明确表示：“5年后，谁也不知道这个星球会发生什么事情。”

各方人士各持己见：为Verilog辩护者认为，开发一种新的设计语言是一种浪费；为SystemC辩护者认为，系统级芯片SoC快速增长的复杂性需要新的设计方法；C语言的赞扬者认为，Verilog是硬件设计的汇编语言，而编程的标准很快就会是高级语言，CynlibC++是最佳的选择，它速度快、代码精简；Superlog的捍卫者认为，Superlog是Verilog的扩展，可以在整个设计流程中仅提供一种语言和一个仿真器，与现有的方法兼容，是一种进化，而不是一场革命。

关于HDL的一次国际讨论会我国发展的战略选择

1.为了实现我国的芯片设计自主化，必须夯实基础，在结合VHDL的基础上，推广VerilogHDL设计语言，使硬件设计的底层单元库可以自主研制；

2.根据目前芯片系统的发展趋势，对系统级语言进行比较研究，在Suoerlog、SystemC等语言中做出选择，并进行相关工具的推广，以及与相关企业进行合作等；

3.深入HDL语言的综合和仿真等模型的研究，努力在与国外合作的基础上，建立自主知识产权的EDA公司；

4.积极加入EDA目前正在进行的标准化工作，做到了解、学习、应用、吸收、参与并重；

5.政府积极加入，重视产、学、研的合作，开展卓有成效的发展模式。

高性能计算：

高性能计算是促进科技创新、经济发展、社会进步及国家安全的战略制高点技术，世界各主要发达国家无不对此高度重视。自70年代开始研究以来，高性能计算机经历了向量机、共享主存多处理机、大规模并行处理系统等几个阶段。近年来，美国相继推出高性能计算与通信、加速战略计算创新等计划，将高性能计算领域的国际竞争推向高潮。2000年IBM曾宣布，5年内将投资1亿美元开发新一代超级计算机“蓝色基因”，旨在帮助人类探索深层次的生命奥秘，其运算速度将达到每秒1千万亿次，与目前的桌面PC相比，计算能力将超出2百万倍。

2．先进智能计算技术2023/3/15292023/3/1530高性能计算：

北京时间2010年17日，由中国国防科技大学研制成功的“天河一号”在国际TOP500组织正式发布的世界超级计算机500强排行榜上名列第一。研制“天河一号”的中国专家认为，这台计算机的成功研制是我国超级计算机发展的重要里程碑。

排行榜表明，中国“天河一号”二期系统（天河－１Ａ）以每秒4701万亿次的峰值速度和每秒2566万亿次的实测速度位居榜首。此前全球最快的超级计算机——美国“美洲虎”以每秒1759万亿次的实测性能名列第二，速度约为“天河一号”的三分之二。“这一成绩实现了我国自主研制超级计算机综合技术水平进入国际领先行列的历史性突破。”“天河一号”工程办公室主任李楠说，“天河一号”的应用将为解决我国重大挑战性问题提供手段，对提升我国综合国力具有战略意义。

2．先进智能计算技术神经网络：

由于神经网络是机器学习的一种机制，即具有大量简单处理单元(称为神经元)的执行高度并行处理的，更接近于生物计算系统的一种计算机体系结构，多年来人们一直在着手研究神经网络在军事电子装备中的应用。神经科学、克隆技术以及生物技术的发展，有可能研制出生物神经网络芯片，使其具有人脑一样的功能，并可与活的神经网络结合起来进行控制运算甚至判断等。随着神经网络硬件的实现，将为武器系统带来革命性的变化，对诸如自主系统、传感器数据的自动化处理、实时图像处理和自适应信号处理与控制等应用项目有着显著的意义。2．先进智能计算技术

2023/3/1531人工智能：

未来先进的计算机技术将成为探索新的有关知识数学表示法的动力。利用形式化结构和描述战场关键信息(诸如地形、敌兵力意图的确定性的程度及潜在的结局组)的知识表示的先进技术将会提高软件的可靠性。在人工智能的研究和应用方面，包括机器人在内的无人化智能作战平台的发展将最为迅速。指挥控制计算机化、攻击手段机器人化的数字化部队有可能取得突破性进展。随着计算机的智能化，通信、传感和其他信息技术的发展和提高，C41SR系统将是一种智能化的系统。系统装备将朝分布式硬件、环境综合、智能决策、远程监视侦察、无缝通信和全数字化技术方向发展。未来信息化单兵、数字化部队乃至机器人部队将有可能成为现实。

2．先进智能计算技术

2023/3/1532人机接口：

数字处理芯片的发展使得语音处理与合成技术日趋成熟，自然语言理解可望取得令人鼓舞的成就，根据口头命令识别话音的软件也将随着技术改进而被广泛采用，多语言之间的实时同步翻译的梦想将成为现实。在超媒体领域，用户可使用多种不同的信息做匹配导航，出现辅助形式的能使便携机显示手写体字符的眷写软件。立体可视化技术将会广泛应用，手机、电话、电视、电脑一体化的趋势将成为一种潮流。灵境技术，或称虚拟现实技术，是继多媒体技术之后的新一代人机系统接口技术及高级仿真技术。它将通过头盔显示器、数据手套显示器、数据手套等辅助传感器材，使人可以“浸入”计算机生成的虚拟环境直接观察事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，产生一种“身临其境”的真实感。2．先进智能计算技术

2023/3/1533分布网络计算：

预计将会通过网络支持团体协同工作的团体软件(Groupware)；在计算机通信方面将实现全战场直到全球“透明”的连通安全，电文、图形、图像和电视等信息统一处理，经济上可承受性的无缝通信。可以预期，通过推行信息资源标准化等计划，建立一个全球信息数据库和融合中心网络的目标将指日可待。届时，任何时候可向在任何地方的任何需要的指挥员和武装部队提供作战所需要的任何信息，即指挥员将不受地域限制能检查·作战空域·内的所有有关信息。分布式处理将朝着进一步利用硬件特性的透明型发展。透明网络便成为21世纪初的目标。

2．先进智能计算技术2023/3/1534生物计算机：一个重要发展是DNA计算机。DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子间可以在某种酶的作用下迅速完成生物化学反应，从一种基因码变为另一种基因码，反应前的基因码可以作为输入数据，反应后的基因码可以作为运算结果，在制造这种生物计算机时，首先挑选一些DNA片段分别代表不同的变量，以片段之间的接合和断开序列代表“与”和“或”逻辑判断，然后运用生物技术手段加以控制，探测并分离出生物材料中具有与特定判断相应特征的部分，那么就可以制成一种新型逻辑判断计算机。目前，DNA计算机已经可以对赫母霍兹等数学问题求解。预计在未来20年有可能出现与微电子芯片融合的高性能DNA计算机。例如可用于高性能计算的基因芯片和生物计算机。2．先进智能计算技术

2023/3/1535智能结构技术：随着军用智能技术的发展，各种智能结构武器将对未来作战产生深远影响。智能结构最初受到关注是在70年代末期，美国将光导纤维埋置在复合材料内部，使结构功能产生了显著改善，自此，智能结构技术得到广泛承认，发达国家纷纷进行研究开发。智能结构给结构技术的发展注入创新性的活力，它所具有的卓越性能将对21世纪的武器装备产生重大影响。2．先进智能计算技术

2023/3/15362023/3/1537云计算2006年谷歌推出了“Google101计划”，并正式提出“云”的概念和理论。随后亚马逊、微软、惠普、雅虎、英特尔、IBM等公司都宣布了自己的“云计划”，云安全、云存储、内部云、外部云、公共云、私有云……一堆让人眼花缭乱的概念在不断冲击人们的神经。云计算（CloudComputing）是由分布式计算（DistributedComputing）、并行处理（ParallelComputing）、网格计算（GridComputing）发展来的，是一种新兴的商业计算模型。目前，对于云计算的认识在不断的发展变化，云计算没仍没有普遍一致的定义。中国网格计算、云计算专家刘鹏给出如下定义：“云计算将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务”。2．先进智能计算技术

通信是一个古老而崭新的话题。其根源可追溯到公元前3500年，苏美尔人发明了楔形文字，埃及人发明了象形文字，这可以说是最古老的通信方式。而中国古代的烽火台则是无线通信的鼻祖。现代意义上的通信是在发现了电现象之后，1793年，法国查佩兄弟俩在巴黎和里尔之间架设了一条230千米长的接力方式传送信息的托架式线路。据说两兄弟是第一个使用“电报”这个词的人。现代意义上的无线通信是从莫尔斯开始，1844年5月24日，在座无虚席的国会大厦里，莫尔斯用他那激动得有些颤抖的双手，操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机，向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报:“上帝创造了何等奇迹！”。现在，通信产业仍然处在蓬勃发展阶段，各种新的技术日新月异，层出不穷。3、通信技术

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众所周知，移动通信是在20世纪80年代开始发展起来的，移动通信发展速度远超过固定网络，已得到相当的普及。全球移动通信用户已经超过4亿。人们对移动通信的需求推动了移动通信发展，至今移动通信已经走过了二代，即80年代的第一代模拟技术和90年代的第二代窄带数字技术。近些年来，随着无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以CDMA为基础，以宽带化通信为特征的第三代3G技术发展。3、通信技术——移动通信2023/3/1539移动通信系统的发展历程3、通信技术——移动通信2023/3/1540支撑互联网的基础是光纤通信。光通信的发展呈现了以下几个发展趋势：

1、光通信研究的重点已经从大容量、超高速转变为智能化、自动化的实现。自动交换光网络（ASON）就是在这个大背景下产生的。ASON网络的最大优点就是实现了以往光网络复杂、冗余的人工连接指配，取之为简单、便利的自动电路配置。ASON的引入，可以说是光通信发展历史的里程碑。

2、光网络的边缘化也是光通信发展的另一个趋势。长久以来，光网络都是作为整个通信体系中的最底层——传输层。但是，随着通信行业的迅速发展，城域网、接入网也越来越希望引入光网络，于是，光网络的发展从核心网正在向边缘网络发展。光通信经过了前几年的低谷以后，现在正处于一个艰难的上升阶段。3、通信技术——光纤通信2023/3/1541

1945年，英国的科幻小学作家阿瑟·C·克拉克在世界上首次提出了使用卫星进行远距离无线电通信和无线电广播的设想，这位作家在《无线电杂志》上发表了一篇文章，提出用火箭发射一颗人造卫星，绕地球转动，然后，地面上发送信号给卫星，通过卫星再传回地面。

1957年10月4日，原联苏成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。根据运行轨道的高度不同，可将人造地球卫星分为三种类型：（1）低高度卫星（小于5000km）（2）中高度卫星（5000km）（3）高高度卫星（大于20000km）6、通信技术3、通信技术——卫星通信2023/3/1542

覆盖区大,通信距离远,三颗同步卫星可覆盖全球频带宽,容量大机动性好,不受地理条件限制通信可靠性高,质量好,稳定费用与距离无关有多址能力,组网灵活可实现区域及全球个人移动通信3、通信技术——卫星通信卫星通信的特点2023/3/1543

同步通信卫星向大容量,多波束,智能化发展低轨卫星群与蜂窝技术相结合,实现全球个人通信小型卫星通信地面站(VSAT)广泛应用电视直播(DVB)和数字声广播(DAB)步入家庭和个人用户多媒体通信和因特网接入微小卫星和纳卫星3、通信技术——卫星通信卫星通信发展趋势2023/3/1544

利用生物分子信息材料装配电子元件和仪器的技术，美国国防高级研究计划局(DARPA)把它看成是能使未来作战发生革命性变化的技术之一。目前，进展较快的是光学开关模式的生物分子器件。一些实验室已经制造出这种模式的并行处理器件、三维数据存储器、神经网络等原型器件。在未来几十年内，有可能研制出可装入计算机的高密度生物电子存储器，以及基于细菌视紫红质的其他一些器件(如神经网络、人工智能所必须的关联存储器等)。近年来，各国军方仿生技术的研究包括：飞机、舰艇设计的进一步优化；雷达、声纳和导航、测控装置的全面改进；一些新通信设备、新侦察装备和新兵器的研制；以及模仿天然生物材料的质地、结构和功能来制造硬度与韧性更大、强度更高、质量更轻和更加耐用的装甲材料及其他材料等方面进行。4．生物分子电子技术

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纳米技术是一门新兴技术，使人类最终能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子，以实现对微观世界的有效控制。有人曾这么说，21世纪将是纳米世纪。据预测，单原子、单分子存储操作技术可能于2007年开发成功，单电子晶体管集成电路2015年将实用化，量子功能电子技术的发展将可能导致单量子计算机和量子波计算机、单量子通信设备和量子波通信设备、家用量子设备等的普遍出现，使所有的电子设备体积和能耗大为缩小。微电子技术与机电技术相结合，和纳米电子学同时伴生的以硅材料为基础的微机电系统技术，作为当今最具革命性的新科学，已经引起世界各国科学家、政府和军队的高度重视，对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量将产生深远影响，并即将形成难以估量的庞大的高技术市场，其规模之大，可能超过微电子芯片产业，成为世界十大科学技术之一。5．纳米电子技术2023/3/15462023/3/1547

纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，研究纳米尺度空间内的纳米膜、纳米线。纳米点和纳米点阵构成的基于量子特性的纳米电子器件的电子学功能、特性以及加工组装技术。其性能涉及放大、振荡、脉冲技术、运算处理和读写等基本问题。其新原理主要基于电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落特性等。

从微电子技术到纳米电子器件将是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。在这次变革中，传统理论将不再适用，需要发展新的理论，并探索出相应的材料和技术。5．纳米电子技术2023/3/15485．纳米电