第一节微电子与计算机技术文档格式.docx
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自动化技术——包括计算机综合自动化制造系统；
智能机器人。
新能源技术——包括燃煤磁流体发电技术；
先进核反应堆技术。
新材料技术——包括光电信息材料；
密度小、抗腐蚀的结构材料；
特种功能材料；
耐高温、高压的高韧复合材料等。
继“863”计划之后，1988年我国又制定了发展高技术产业的“火炬计划”。
这个计划的主要宗旨是：
使高技术成果商品化，高技术商品产业化，高技术产业国际化。
这两个计划实施以来，已经取得了令人瞩目的成就，在各个领域中都缩短了我国同世界先进水平的差距，在某些领域中还达到甚至超过了国际先进水平，如高温超导研究、核聚变装置、运载火箭等等。
我国还陆续兴办了一批科技园、科学城、高新技术开发区、高新技术孵化器，建立了一批外资和合资高技术企业，参与了国际上一些大型高新技术研究课题，加速了我国高技术的进步和高技术产业化的进程。
高技术的发展，对我们国家来说，既是一种挑战，同时也是我们“后来居上”的发展机遇。
只要我们抓住机遇，采取正确的战略，大胆创新，就有可能出现后发优势，实现21世纪中华民族的伟大振兴。
第一节微电子与计算机技术
一、微电子技术
微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用其实现电子系统功能的技术领域。
在该领域中最主要的是集成电路技术，因此，微电子技术是随着集成电路技术，尤其是大规模集成电路技术的发展而发展起来的一门新兴技术。
与传统的电子技术相比，微电子技术不仅可以使电子设备和系统微型化，更重要的是它引起了电子设备和系统的设计、工艺、封装等方面的巨大变革。
集成电路设计的出发点不再是单个元器件，而是整个系统或设备，像晶体管、电阻、连线等传统的元器件都是在硅基片内以整体形式互相连接的。
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，但微电子产业的快速发展是在1958年出现第一块集成电路之后。
集成电路的历史虽然只有短短的40多年，但它给整个世界带来的影响却是极其深远的。
可以说，没有微电子就没有今天的信息社会，就不可能有计算机、现代通信、网络等产业的发展。
微电子技术正是信息社会的基石。
（1）晶体管的诞生。
第二次世界大战期间，雷达的出现使高频探测成为一个重要问题，电子管不仅无法满足这一要求，而且在移动式军用器械和设备上的使用也极其不便和不可靠，因此，晶体管探测器的研究便得到广泛关注。
前期的半导体理论和技术方面一系列重大突破，为晶体管的发明提供了理论及实践上的准备。
正是在实际需求牵引和技术驱动的共同作用下，1946年1月，贝尔（Bell）实验室成立了固体物理研究小组及冶金研究小组，并设计出了第一个晶体管，即在一个楔形的绝缘体上蒸金，然后用刀片把楔尖上的金划开一条小缝，并将该楔形体与锗片接触，在锗片表面形成间距很小的两个接触点。
这两个接触点分别作为发射极和集电极，衬底作为基极。
经过无数次实验，终于在1947年12月23日首次观察到了该晶体管的放大特性。
从此，世界上第一个晶体管诞生了，拉开了人类社会步入信息时代的序幕。
（2）集成电路的发展。
晶体管发明之后不到五年，即1952年5月，英国皇家研究所的达默就在美国工程师协会举办的座谈会上第一次提出了集成电路（IntegratedCircuit，IC）的设想。
之后，经过几年的实践和努力，1958年，德克萨斯仪器公司（TexasInstrument）的工程师们发明了集成电路。
尽管当时一块芯片上只能集成5个晶体管，但是这种将多个晶体管和电阻、电容元件集成在一块芯片内的新型器件，标志着半导体器件的制造工艺水平产生了飞跃。
集成电路的发明和发展，除了得益于一系列物理原理的重大发现之外，还得益于许多新工艺的发明。
重大的工艺发明主要包括：
离子注入工艺、扩散工艺、外延生长工艺、光刻工艺。
从此，电子工业进入了集成电路时代。
经过40余年的发展，集成电路已经从最初的小规模集成电路发展到目前的巨大规模集成电路和系统芯片，集成的元件数也从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十亿个。
集成电路的出现打破了电子技术中器件与线路分离的传统，开辟了电子元器件与线路甚至整个系统向一体化发展的方向，为电子设备的性能提高、价格降低、体积缩小、能耗降低提供了新途径，为电子设备迅速普及、走向大众奠定了基础。
几十年来，世界集成电路业的产值以大于13％的年增长率持续发展，世界上还没有哪一个产业能够以这样高的速度持续增长。
从1968年开始，电子信息领域的论文总数已经超过钢铁业，预计在2007年左右，全世界集成电路业的总产值将超过钢铁工业。
（3）集成电路的应用。
目前，微电子芯片已经成为现代工业、农业、国防装备和家庭耐用消费品的细胞。
例如，在日本，每个家庭拥有的集成电路芯片平均在100个以上。
由于集成电路的原材料主要是硅，因此有人认为，人类自1968年已经进入了继石器时代、青铜器时代、铁器时代之后的硅器时代。
随着微电子技术的发展和微型计算机的产生，信息技术的应用得到极其广泛的普及，较重要的信息技术应用成果多达5000余种，人们将其概括为“3C”革命和“3A”革命。
“3C”革命是指通信（Communication）、计算机化（Computerization）和自动控制（Control）技术革命。
“3C”革命将人类社会推向了划时代的信息新社会。
“3A”革命，又称为“三化”革命，是指工厂自动化（FA）、办公自动化（OA）和家庭自动化（HA）。
“3A革命”的深入发展，将整个人类社会全面推向自动化。
2.集成电路卡
集成电路卡，即IC卡。
它是将集成电路芯片封装成模块并嵌入到塑料卡基中制成的卡片。
IC卡是随着计算机技术和微电子技术的发展、结合而产生的一种信息存储媒体。
法国的布尔（BULL）公司于1976年首先制造出IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、通讯等多个领域。
（1）IC卡的分类。
①按照IC卡与读卡器的通信方式，可将IC卡分为接触式IC卡和非接触式IC卡两种。
接触式IC卡通过卡片表面8个金属触点与读卡器进行物理连接来完成通信和数据交换。
非接触式IC卡通过无线通信方式与读卡器进行通信，通信时非接触IC卡不需要与读卡器直接进行物理连接。
②按照是否带有微处理器，比卡可分为存储卡和智能卡两种。
存储卡仅包含存储芯片而无微处理器，一般的电话IC卡即属于此类。
将指甲盖大小的带有内存和微处理器芯片的大规模集成电路嵌入到塑料基片中，就制成了智能卡。
银行的IC卡通常是指智能卡。
智能卡也称为CPU（中央处理器）卡，它具有数据读写和处理功能，因而具有安全性高、可以离线操作等突出优点。
所谓离线操作是与联机操作相对而言的，它可以在不连网的终端设备上使用。
离线操作不仅大大减少了通信时间，也能够在移动收费点（如公共交通）或通信不顺畅的场所使用。
③按照应用领域来划分，IC卡可以分为金融卡和非金融卡两种。
金融卡又分为信用卡和现金储值卡；
非金融卡是指应用于医疗、通信、交通等非金融领域的IC卡。
（2）IC卡的优点。
IC卡的外形与磁卡相似，它与磁卡的区别在于数据存储的媒体不同。
磁卡是通过卡上磁条的磁场变化来存储信息的，而IC卡是通过嵌入卡中的电擦除式可编程只读存储器集成电路芯片（EEPROM）来存储数据信息的。
因此，与磁卡相比较，IC卡具有以下优点：
．
①存储容量大。
磁卡的存储容量大约在200个数字字符；
IC卡的存储容量根据型号不同，小的几百个字符，大的上百万个字符。
②安全保密性好。
IC卡上的信息能够随意读取、修改、擦除，但都需要密码。
③CPU卡具有数据处理能力。
在与读卡器进行数据交换时，可对数据进行加密、解密，以确保交换数据的准确可靠；
而磁卡则无此功能。
④使用寿命长。
（3）IC卡的主要技术。
IC卡核心是集成电路芯片，是利用现代先进的微电子技术，将大规模集成电路芯片嵌在一块小小的塑料卡片之中。
其开发与制造技术比磁卡复杂得多。
IC卡主要技术包括硬件技术、软件技术及相关业务技术等。
硬件技术一般包含半导体技术、基板技术、封装技术、终端技术及其他零部件技术等；
而软件技术一般包括应用软件技术、通信技术、安全技术及系统控制技术等。
①EEPROM技术。
电擦除式可编程只读存储器（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory）是IC卡技术的核心。
该技术使晶体管密度增大，改善了性能，增加了容量，达到在同样面积上存储更大数据量的目的。
作为数据或程序的存储空间，EEPROM的数据可以至少保持10年的时间，擦写次数达10万次以上。
EEPROM技术还提供了很大的灵活性，通过设置不可修改的标志位，能够将EEPROM单元转变成可编程只读存储器、只读存储器或不可读的保密存储单元。
该技术的先进性使得带有保密存储器的IC卡得到快速发展和应用。
例如，在各种收费系统（公用电话、电表、公路收费等等）及访问控制等领域获得了广泛的应用。
以EEPROM为核心的CPU卡也广泛应用于移动电话、银行部门、多应用卡及要求有公共密钥算法的高安全性应用领域。
②RFID技术。
射频识别RFID（RadioFrequencyIdentification）技术是一种利用电磁波进行信号传输的识别方法，被识别的物体本身应具有电磁波的接收和发送装置。
RFID系统使用的通信频段范围为＜135kHz或＞300MHz～GHz级。
射频识别IC卡是一种使用电磁波和非触点来与终端通信的IC卡。
使用此卡时，不需要把卡片插入到特定读写器插槽之中。
一般来说，通信距离在几厘米至1米范围内。
射频识别卡使用得较多，而且发展潜力较大。
射频识别IC卡有主动式和被动式之分。
主动式卡是指卡片需要主动靠近读卡器，用户需要将卡在读卡器上晃过才完成交易；
被动式卡不用出示卡片，只要走过读卡器的范围，即可完成交易。
目前世界上最先进的非接触IC卡就采用了独特的RFID技术。
预计此种技术将有很大的市场潜力。
③加密技术。
IC卡中的CPU卡采用特殊的加密技术，不仅可以验证信息的正确性，同时还能检查通信双方身份的合法性，从而保证信息传送的安全性。
这是通过IC卡中存储的银行密钥与读卡器兼黑盒子中存储的银行密钥的相互校验来实现的，从而保证了持卡者本身和读卡器双方都具有合法身份。
总之，采用先进的加密技术后，不仅具有高度安全性、严谨性，还具有灵活便捷、成本低等优势。
除上述技术之外，还有Java卡技术、IC卡ISO标准化技术、IC卡生物认证技术及数据压缩技术等软、硬件新技术。
由于IC卡技术含量越来越高，功能越来越强，使得IC卡的应用领域不断向纵深方向拓展。
（4）IC卡的主要应用。
IC卡的开发、研制与应用是一项系统工程，涉及到计算机、通讯、网络、软件、卡的读写设备、应用机具等多种产品领域的多种技术学科。
因此，全球IC卡产业在技术、市场及应用的竞争中迅速发展起来。
IC卡已是当今国际电子信息产业的热点产品之一，除了在商业、医疗、保险、交通、能源、通讯、安全管理、身份识别等非金融领域得到广泛应用外，在金融领域的应用也日益广泛，影响十分深远。
IC卡虽然进入我国较晚，但在政府的大力支持下，发展迅速。
1995年底，国家金卡办为统筹规划全国IC卡的应用，组织拟定了（金卡工程非银行卡应用总体规划）。
为保证IC卡的健康发展，在国务院金卡办的领导下，信息产业部、公安部、卫生部、国家工商管理局等各个部委纷纷制定了IC卡在本行业的发展规划。
①IC卡在银行系统的应用。
银行卡大体分为两类：
信用卡和储值卡。
信用卡，即贷记卡，有小额信贷功能，即可以小额透支。
它要求持卡人有较高的信誉度，透支的钱应及时存入。
储值卡，即借记卡，不需要建档案，不需要担保，不能够透支，一般用于小额提取或消费。
目前国内各商业银行所发放的银行卡大多数为借记卡。
据统计，发达国家的现钞流通量仅占流通实力的8％，基本上是信用卡及各种金融卡主宰金融市场。
而我国的现钞流通量则高达25％以上，大量现金的“体外循环”为腐败现象的滋生和各种经济犯罪提供了生存土壤，不仅扰乱了经济秩序，还严重影响社会的稳定及人民币的价值和信誉。
电子货币或银行IC卡的普遍应用，正是解决上述问题的有效办法。
目前的银行卡大多数仍为磁卡，在塑料卡片上有磁条和凸印字。
磁条中记录账号和密码等基本信息，而实际款项存储在由网络连接的银行计算机硬盘上。
用户提取或存入的款项在不同的银行账户之间进行资金往来。
用户消费的款项由银行和商户之间进行结转和清算。
这种磁卡在使用时需要访问主机账户，因此只能在联机处理时间内使用，其速度和稳定性取决于通信线路的质量，在网络达不到的场所则无法使用。
我国发展金卡的方针是“两卡并用，磁卡过渡，发展IC卡为主”。
未来的发展趋势必将是IC卡逐步取代磁卡。
IC卡既可以由银行独自发行，又可以与各企事业单位合作发行联名卡。
这种联名卡形成银行IC卡的专用钱包账户。
例如，医疗保险专用钱包不得消费，不得提取现金，只能在指定医院等场所使用。
当前，联名卡主要有保险卡、财税卡、交通卡、校园卡等多种。
由于IC卡既方便又快捷，因此在发达国家已相当流行。
亚特兰大奥运会期间，大量采用IC卡电子钱包，以支付交通、通讯、税收等费用。
②IC卡收费系统。
它包括电费、水费、煤气费、通信费等各种消费资源费用的收取。
该类系统可以提高管理效率和可靠性。
通过预先收费，可以增加管理部门的可用资金，为居民提供优质服务，改变对资源先消费后收费的不合理状况。
对于用户而言，IC卡收费可消除收费人员入户的骚扰和准备现金零钱的烦恼；
同时，还有利于用户根据自家用电、用水、用煤气的情况，进行计划消费。
③IC卡医疗保险系统。
随着我国医疗体制的改革，居民持保险公司发行的IC卡到医院就医，就医费用将由保险公司支付。
医疗IC卡除了具有医疗费用的支付功能外，卡内还可以存储病人的病历。
病人看病可以到不同的医院，医生可根据卡内的病历信息快速进行诊断和治疗。
④公交管理系统。
乘客持公交管理部门发行的预先付费IC卡乘车，上车时只需在汽车门口的收费机前晃一下（主动式卡），收费机自动完成收费。
这样，能有效地减少上下车时间，加快车辆周转速度，提高管理效益，杜绝贪污、假币现象。
其它，还有交警管理系统、工商管理系统、IC卡电子门锁、IC卡税务管理系统、高速公路收费系统等多种IC卡应用系统。
IC卡随着半导体技术、大规模集成电路芯片的发展而产生，也必将随着计算机技术、网络技术等的高速发展而迅速发展壮大。
不断扩大IC卡的应用领域已成为社会发展的必然需求。
在全球IC产业市场竞争更加激烈的情况下，IC卡必然向更高层次方向发展。
诸如从接触型IC卡向非接触型IC卡转移，从低存储容量的IC卡向高存储容量发展，从单功能IC卡向多功能IC卡转化，从单系统的IC卡向多系统IC卡转化，由非银行系统转向银行系统应用，由民用转向军用，由局域网向因特网迁移等。
新技术不断涌现，IC卡品种繁多，这充分说明了IC卡的强大生命力。
在未来的几年中，IC卡将会越来越多地渗入到人们的生活中。
二、计算机技术
计算机是20世纪最重大的发明之一，对人类社会的发展有着极其深远的影响。
在信息社会中，微电子技术是基础，计算机和通信设施是载体，软件技术是核心。
1．计算机的发展
计算机是一种能够快速地自动完成信息处理的电子装置，它能按照程序引导的确定步骤，对输入数据进行加工处理、存储或者传递，以便获得所期望的输出信息。
（1）第一台电子计算机。
世界上第一台真正意义上的电子数字计算机——电子数值积分计算机埃尼阿克（ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator）开始研制于1943年，1946年2月交付使用。
这台计算机是采用电子管作为基本元件的庞然大物，装有1．8万个电子管、7万个电阻器、1万个电容器和6000个开关，重达30t，占地面积150m2，耗电140kW。
当它工作时，不得不对附近的居民区停止供电。
埃尼阿克用10进制进行计算，存储容量仅千位，平均无故障运行时间也只有7min，计算速度为5000次／秒、，仅相当于现在一台普通个人电脑的几千分之一。
这在当时已经是划时代的高速计算机了。
它主要用来进行弹道计算的数值分析，计算炮弹着弹位置所需要的时间比炮弹离开炮口到达目标所需要的时间还要短，一度被誉为“比炮弹还要快的计算机”。
经过多次改进后，埃尼阿克成为一台能进行各种科学计算的通用计算机，共服役9年。
当时曾有人认为，全世界只要有4台这样的计算机就足够了。
埃尼阿克是人类计算工具发展史上一座不朽的丰碑。
正是它同几年后制成的冯·
诺伊曼（J．vonNeuman）机一起，奠定了现代计算机原型。
（2）计算机的发展。
按照计算机硬件结构及系统软件的特点，计算机分为四代。
①第一代（1946～1958年）计算机——电子管计算机。
全世界共有100台左右的电子管计算机。
其逻辑元件采用电子管；
软件主要采用机器语言、汇编语言，使用穿孔卡片，主要应用于科学计算。
其特点是：
体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、维修复杂。
②第二代（1958～1964年）计算机——晶体管计算机。
其逻辑元件采用晶体管，体积大大缩小，耗电减少，可靠性提高，并把计算速度从每秒几千次提高到几十万次。
硬件设备性能的大幅度提高，为软件的发展打下了物理基础。
计算机的程序设计告别了机器指令的时代，适用于科学计算的FORTRAN语言、面向商业应用的COBOL语言、通用性的PASCAL语言、简单易学的BASIC等高级编程语言纷纷问世，大大提高了编程的工作效率；
同时，还出现了以批处理为主的操作系统。
此时的计算机主要应用于科学计算和各种事务处理，并开始用于工程控制。
③第三代（1964～1971年）计算机——集成电路计算机。
60年代中期，计算机开始采用集成电路。
计算机的体积、重量、功耗大幅度降低，性能大幅度提高。
在外存储器方面，一种速度更快、纪录密度更高的磁盘成为该代计算机的主流。
在系统结构方面，出现了系列化兼容的大、中型机和小型机，其中最有影响力的代表机型是IBM公司的IBM360（后来升级为IBM370）和DEC（DigitalEquipmentCorporation，现已被康柏公司兼并）公司的PDP—11，二者分别成为大、中型机和小型机的主流机型，其体系结构成为事实上的国际标准。
在软件方面，出现了操作系统，算法语言也更加丰富和完善。
由多台计算机通过通信线路互联起来构成的计算机网络开始出现，其典型的代表是美国国防部的ARPANET网。
④第四代（1971年至现在）：
大规模集成电路计算机。
在第三代之前，计算机技术主要集中在大型机和小型机领域发展，但随着超大规模集成电路和微处理器技术的进步，计算机进入寻常百姓家的技术障碍已层层突破。
特别是从英特尔（Intel）公司发布其面向个人机的微处理器8080之后，这一浪潮便汹涌澎湃起来。
微处理器的问世不仅使个人计算机异军突起，同时也真正实现了计算机技术向各行各业、各个领域的渗透。
微处理器的功能大、体积小，可以把它安装到各种生产工具和生活用具上。
现在人们常常讲“机电一体化”，就是用微处理器改造传统的机器、通信设备和家用电器，使之接受处理器芯片的控制。
第四代计算机在实现微型化的同时，还实现了巨型化。
它的运算能力则达到了第一台计算机的百万倍、千万倍甚至上亿倍。
1996年12月，美国耗资5500万美元制成了每秒可运算1．4万亿次的超级计算机，这台计算机的体积相当于57台冰箱，使用了9000多块“奔腾”芯片，可以在15s内完成笔算需要25万年、个人计算机需要2天才能完成的任务。
它主要用来进行核试验、天气和自然灾害预报、基因研究、太空模拟试验等数据量非常巨大的研究工作。
我国在巨型机的研制上也拥有相当的实力，1997年6月19日，每秒浮点运算达100亿次的银河Ⅲ并行巨型计算机在我国研制成功，它标志着我国在高性能计算机的研制上实现了新的突破。
从1946年世界上第一台电子数字计算机诞生以来，到“微处理器改变全球”，仅仅经历了半个多世纪，它的发展速度是世界上任何其他技术所不能比拟的。
迄今，世界上最快的计算机是康柏公司的代号为“Q”的超级计算机，它每秒钟能计算30万亿次。
IBM宣布，下一个目标是制造每秒100万亿次的超级计算机——蓝色基因（BlueGene）。
2．微处理器的升级
在计算机的发展史上，20世纪70年代初问世的第四代大规模集成电路计算机具有特殊的重要意义。
高度的集成化使得计算机的中央处理器（CPU）和其他主要功能可以集中到同一块半导体硅片（即微处理器芯片）上。
其高度的集成性，不仅仅使体积缩小，更使速度加快，故障减少。
微处理器的不断升级为现代计算机插上了腾飞的翅膀，计算机技术经过多年的积累，终于驶上了用硅铺就的高速公路。
（1）微处理器的崛起。
1971年英特尔公司研制成功了第一台微处理器4004芯片。
这块集成了2250个晶体管的芯片的面积只有（4．2×
3．2）mm2，用10μm工艺制作而成，可执行46条简单指令，能控制的内存空间仅4K字节，然而其功能已相当于1950年时像房子那么大的电路板。
1981年，IBM公司采用8088为中央处理器，推出了IBMPC个人计算机，由于采用了全开放的结构和技术，PC机及兼容机得到了迅猛的发展。
表3—1列出了Intel微处理器芯片升级简况。
除了Intel微处理器芯片外，另一个著名的芯片制造厂商摩托罗拉（Motorola）于1974推出了第一个8位微处理器M6800，1979年推出16位的M68000，与Intel形成竞争的态势。
从80年代开始，可容纳几十万个和上百万个元件的超大规模集成电路相继出现，使得计算机的体积、重量和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。
由于微处理器的工作主频率决定每秒执行指令的速度，在计算机性能的提升过程中，微处理器始终扮演着引擎的作用。
而微处理器的进步在硬件上又带动了相关零部件和外设的发展，同时也为应用提供了更好的平台，从而形成一个互相促进的加速循环过程。
集成电路问世以来，计算机性能提高了上万倍，价格却降至当初的1／10000。
如今中学生手里的一台"
586"
台式计算机，其功能相当
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