专转本计算机之信息与微电子技术

第1章信息技术概述1.1信息与信息技术1.2微电子技术简介2第1章信息技术概述1.1信息与信息技术（1）什么是信息（2）信息处理与信息技术（3）信息处理系统3第1章信息技术概述信息是什么？(1)关于信息（information），至今并没有统一的定义日常生活中比较笼统和模糊的几种解释是：语言、文字、图画、照片等表示的内容（新闻、消息或知识）读书、上课、交谈等所学习和了解的知识、方法、事实和情况为了做判断、订计划或求解问题等所需要的数据、资料···4第1章信息技术概述信息是什么？(2)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“事物运动的状态及状态变化的方式”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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(也称为信息的载体或媒体)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资源5第1章信息技术概述什么是信息处理？信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动：信息的收集(如信息的感知、测量、获取、输入等)信息的加工(如信息的分类、计算、分析、转换等)信息的存储(如书写、摄影、录音、录像等)信息的传递(如邮寄、电报、电话、广播等)信息的施用(如控制、显示等)6第1章信息技术概述人工进行信息处理的过程人工信息处理的不足：算不快记不住传不远看（听）不清事物客体信息获取(感觉器官)信息加工与存储(大脑)信息传递(神经系统)信息施用(效应器官)信息传递(神经系统)信息技术（IT）手/脚/身眼/耳/鼻/舌/身7第1章信息技术概述什么是信息技术？信息技术（InformationTechnology，简称IT）指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。信息技术包括：扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术扩展神经系统功能的通信技术扩展大脑功能的计算(处理)与存储技术扩展效应器官功能的控制与显示技术······8第1章信息技术概述信息技术的发展历史◎语言的形成和使用◎文字的创造◎印刷技术的发明◎望远镜、显微镜◎电报和电话通信◎广播、电视◎雷达、卫星（遥感感测）◎计算机、机器人◎因特网（Internet）···9第1章信息技术概述现代信息技术3大特征：采用电子技术（包括激光技术）以数字技术（计算机）为基础以软件为核心内容：计算机、微电子、通信、广播、遥感遥测、自动控制、机器人等10第1章信息技术概述什么是信息处理系统？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，可以通称为信息处理系统信息处理系统的结构：传输/存储信息加工传输/存储控制与显示感测与识别信息输入信息输出11第1章信息技术概述信息处理系统举例雷达：以感测与识别为主要目的电视/广播：以单向、点到多点的信息传递为主要目的电话：以双向、点到点的信息交互为主要目的银行：以处理金融信息为目的图书馆：以信息收藏和检索为主要目的因特网：跨越全球的多功能信息处理系统12第1章信息技术概述1.2微电子技术简介（1）微电子技术与集成电路（2）集成电路的制造（3）集成电路的发展趋势（4）IC卡(1)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术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础•微电子技术的核心是集成电路技术14第1章信息技术概述电子电路中元器件的发展演变晶体管(1948)中/小规模集成电路(1950’s)•微电子技术是以集成电路为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。大规模/超大规模集成电路(1970’s)电子管(1904)15第1章信息技术概述什么是集成电路？集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)：以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、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集成电路的优点：体积小、重量轻功耗小、成本低速度快、可靠性高超大规模集成电路小规模集成电路16第1章信息技术概述集成电路的分类按用途分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路按晶体管结构、电路和工艺分：双极型（Bipolar）电路金属氧化物半导体(MOS)电路······按集成度(芯片中包含的元器件数目)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）100~3000大规模集成电路（LSI）3000~10万超大规模集成电路（VLSI）10万~几十亿极大规模集成电路（ULSI）＞100万17第1章信息技术概述附：常见集成电路产品的类型混合电路A/D转换器D/A转换器(2)集成电路的制造(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约需要400多道工序，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、超洁净的无尘厂房内完成。•目前兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上。19第1章信息技术概述集成电路的制造流程硅抛光片单晶硅锭单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成镜面一样光滑的圆形薄片，称为“硅抛光片”晶圆硅平面工艺硅平面工艺包括氧化、光刻、掺杂和互连等工序，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。通常每一硅抛光片上可制作成百上千个独立的集成电路，这种整整齐齐排满了集成电路的硅片称作“晶圆”芯片检测、分类集成电路封装对晶圆上的每个电路进行检测，然后将晶圆切开成小片，把合格的电路分类，再封装成一个个独立的集成电路成品测试成品进行成品测试，按其性能参数分为不同等级，贴上规格型号及出厂日期等标签，成品即可出厂20第1章信息技术概述集成电路的封装集成电路封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能常见的封装方式：单列直插式（SIP）双列直插式（DIP）阵列式（PGA）塑料有引线芯片载体（PLCC）扁平贴片式(PQFP)球栅阵列封装(BGA)小外形封装（SOP）21第1章信息技术概述FC-PGA2封装方式（Pentium4处理器）集成电路插座集成电路的封装形式(3)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。•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、连接线的尺寸上下功夫。23第1章信息技术概述IC集成度提高的规律Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番(GordonE.Moore,1965年)晶体管数例：Intel微处理器集成度的发展酷睿2双核（2006）291～410M晶体管酷睿2四核（2007）820M晶体管100019701975198019851990199520001000010000010610x106100x10640048008808080868028680386PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium48048620101000x106CORE2DuoCORE2Quad24第1章信息技术概述集成电路技术的发展趋势19992001200420082014工艺(μm)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)1212141618•减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸•增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片25第1章信息技术概述进一步提高集成度的问题与出路问题：线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作出路：在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量子计算机同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成(4)IC卡简介几乎每个人每天都与IC卡打交道，例如我们的身份证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是IC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。27第1章信息技术概述什么是IC卡？IC卡(chipcard、smartcard)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体特点：存储信息量大保密性能强可以防止伪造和窃用抗干扰能力强可靠性高应用举例：作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等）作为电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）28第1章信息技术概述IC卡的类型(按芯片分类)存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便。用于安全性要求不高的场合，如电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）CPU卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有芯片操作系统(ChipOperatingSystem)，处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡。29第1章信息技术概述IC卡的类型(按使用方式分类)接触式IC卡(如电话IC卡)表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短非接触式IC卡(射频卡、感应卡)采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源（卡中无电源）和免接触问题操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长用于读写信息较简单的场合，如身份验证等接触式IC卡接触式IC卡的结构非接触式IC卡30第1章信息技术概述非接触式IC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5~10cm)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卡数据传送给PC，PC将判断该卡的合法性，作出相应处理31第1章信息技术概述非接触式IC卡在身份证中的使用第二代身份证使用非接触式CPU卡，可实现“电子防伪”和“数字管理”两大功能：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特征如指纹等保存在芯片中，以进一步提高防伪性能数字管理功能：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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32第1章信息技术概述附：背景材料33第1章信息技术概述IC技术发展——减小蚀刻尺寸减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸尺寸越小，开关速度越快，性能越高相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本越低8086的蚀刻尺寸为3μmPentium的蚀刻尺寸是0.80μmPentium4的蚀刻尺寸当前是0.09μm（90纳米）酷睿2双核的蚀刻尺寸为0.065μm（65纳米）酷睿2四核的蚀刻尺寸为0.045μm（45纳米）34第1章信息技术概述IC技术发展——增大晶圆面积增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片比如，使用0.13微米的工艺在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用同样工艺在300mm的晶圆