現(xiàn)代電子信息技術(shù)的現(xiàn)況及發(fā)展趨勢課件

1、物理學(xué)前沿講座,現(xiàn)代電子信息技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,1,學(xué)習(xí)交流PPT,當(dāng)前社會是信息社會，信息技術(shù)目前還沒有一個十分統(tǒng)一的定義。,從廣義上講，凡是與上述諸方面相關(guān)的技術(shù)都可以叫做信息技術(shù)，通?？煞譃樗念?，即感測技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)。 所謂感測技術(shù)，是指對信息的傳感、采集技術(shù)； 通信技術(shù)是傳遞信息的技術(shù)； 計算機(jī)技術(shù)是處理、存儲信息的技術(shù)； 控制技術(shù)則是使用與反饋信息的技術(shù)。,一般認(rèn)為，信息技術(shù)就是獲取、處理、傳遞、儲存、使用信息的技術(shù)。,2,學(xué)習(xí)交流PPT,信息技術(shù)的應(yīng)用性很強(qiáng)，因此又常被稱作“3C”技術(shù)、“3A”技術(shù)等等，此外還有“3D”之說。,3A是指工廠自動化(Facto

2、ry Automation)、辦公自動化(Office Automation)和家庭自動化(Home Automation)。,3C是指通信(Communication)、計算機(jī)(Computer)、控制(Control)三種技術(shù)，它們的英文名稱的第一個字母都是“C”，所以簡稱3C技術(shù)。,“3D” 是指數(shù)字傳輸(Digital Transmission)、數(shù)字交換(Digital Switching)、數(shù)字處理(Digital Processing)三種數(shù)字技術(shù)。,3,學(xué)習(xí)交流PPT,信息技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)大致可概括為： 計算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域是核心； 電子技術(shù)是信息技術(shù)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，其中包括微電子技術(shù)

3、、光電子技術(shù)； 信息材料技術(shù)是基礎(chǔ)信息技術(shù)，其中包括電子備料以及光學(xué)材料技術(shù)； 通信技術(shù)是信息技術(shù)的重要的直接組成部分。,4,學(xué)習(xí)交流PPT,電子技術(shù)是十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。進(jìn)入21世紀(jì)，人們面臨的是以微電子技術(shù)（半導(dǎo)體和集成電路為代表）電子計算機(jī)和因特網(wǎng)為標(biāo)志的信息社會。高科技的廣泛應(yīng)用使社會生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)獲得了空前的發(fā)展?，F(xiàn)代電子技術(shù)在國防、科學(xué)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊（信息處理、傳輸和交流）及文化生活等各個領(lǐng)域中都起著巨大的作用?，F(xiàn)在的世界，電子技術(shù)無處不在，人們現(xiàn)在生活在電子世界中，一天也離不開它。,1

4、電子技術(shù),5,學(xué)習(xí)交流PPT,電子技術(shù)的應(yīng)用,6,學(xué)習(xí)交流PPT,基本器件的兩個發(fā)展階段,分立元件階段（19051959） 真空電子管、半導(dǎo)體晶體管 集成電路階段（1959） SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI,主要階段概述,第一代電子產(chǎn)品以電子管為核心。四十年代末世界上誕生了第一只半導(dǎo)體三極管，它以小巧、輕便、省電、壽命長等特點，很快地被各國應(yīng)用起來，在很大范圍內(nèi)取代了電子管。五十年代末期，世界上出現(xiàn)了第一塊集成電路，它把許多晶體管等電子元件集成在一塊硅芯片上，使電子產(chǎn)品向更小型化發(fā)展。集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著高效能低消耗

5、、高精度、高穩(wěn)定、智能化的方向發(fā)展。,7,學(xué)習(xí)交流PPT,分立元件階段,電子管時代（19051948） 為現(xiàn)代技術(shù)采取了決定性步驟,主要大事記,1905年 愛因斯坦闡述相對論Emc2 1906年 亞歷山德森研制成高頻交流發(fā)電機(jī) 德福雷斯特在弗菜明二極管上加?xùn)艠O，制威第一只三極管 1912年 阿諾德和蘭米爾研制出高真空電子管 1917年 坎貝爾研制成濾波器 1922年 弗里斯研制成第一臺超外差無線電收音機(jī) 1934年 勞倫斯研制成回旋加速器 1940年 帕全森和洛弗爾研制成電子模擬計算機(jī) 1947年 肖克萊、巴丁和布拉頓發(fā)明晶體管；香農(nóng)奠定信息論的基礎(chǔ),真空電子管,8,學(xué)習(xí)交流PPT,分立元件階

6、段,晶體管時代（19481959） 宇宙空間的探索即將開始,主要大事記,1947年 貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊研制成第一個點接觸型晶體管1948年 貝爾實驗室的香農(nóng)發(fā)表信息論的論文 英國采用EDSAG計算機(jī)，這是最早的一種存儲程序數(shù)字計算機(jī) 1949年 諾伊曼提出自動傳輸機(jī)的概念 1950年 麻省理工學(xué)院的福雷斯特研制成磁心存儲器 1952年 美國爆炸第一顆氫彈 1954年 貝爾實驗室研制太陽能電池和單晶硅 1957年 蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星 1958年 美國得克薩斯儀器公司和仙童公司宣布研制成第一個集成電路,9,學(xué)習(xí)交流PPT,1947年12月23日 第一個晶體管 NPN Ge晶體

7、管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,獲得1956年Nobel物理獎,10,學(xué)習(xí)交流PPT,1958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片,獲得2000年Nobel物理獎,11,學(xué)習(xí)交流PPT,集成電路階段,自1958年第一塊集成元件問世以來，集成電路已經(jīng)跨越了小、中、大、超大、特大、巨大規(guī)模幾個臺階，集成度平均每2年提高近3倍。隨著集成度的提高，器件尺寸不斷減小。,1985年，1兆位ULSI的集成度達(dá)到200萬個元件，器件條寬僅為1微米；1992年，16兆位的芯片集成度達(dá)到了3200萬個元件，條寬減到0.5微米，而后的64兆位芯片，其

8、條寬僅為0.3微米。,12,學(xué)習(xí)交流PPT,集成電路階段,集成電路制造技術(shù)的發(fā)展日新月異，其中最具有代表性的集成電路芯片主要包括以下幾類，它們構(gòu)成了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基石。,可編程邏輯器件（PLD）,微控制芯片（MCU）,數(shù)字信號處理器（DSP）,大規(guī)模存儲芯片（RAM/ROM）,13,學(xué)習(xí)交流PPT,以集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)超過了以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統(tǒng)工業(yè)成為第一大產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為改造和拉動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)邁向數(shù)字時代的強(qiáng)大引擎和雄厚基石。 目前，發(fā)達(dá)國家國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長部分的65%與集成電路相關(guān), 美國國防預(yù)算中的電子含量已占據(jù)了半壁江山。預(yù)計未來10年內(nèi)，世界集成電路銷售額將以年平均1

9、5%的速度增長，2010年將達(dá)到60008000億美元。 作為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)競爭的焦點，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的集成電路已日益成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈、社會進(jìn)步的基礎(chǔ)、國際競爭的籌碼和國家安全的保障。,集成電路階段,14,學(xué)習(xí)交流PPT,集成電路的集成度和產(chǎn)品性能每18個月增加一倍。據(jù)專家預(yù)測,今后20年左右,集成電路技術(shù)及其產(chǎn)品仍將遵循這一規(guī)律發(fā)展。 集成電路最重要的生產(chǎn)過程包括： 開發(fā)EDA(電子設(shè)計自動化)工具 利用EDA進(jìn)行集成電路設(shè)計 根據(jù)設(shè)計結(jié)果在硅圓片上加工芯片(主要流程為薄膜制造、曝光和刻蝕) 對加工完畢的芯片進(jìn)行測試 為芯片進(jìn)行封裝 最后經(jīng)應(yīng)用開發(fā)將其裝備到整機(jī)系統(tǒng)上與最終消費者見面。,集

10、成電路階段,15,學(xué)習(xí)交流PPT,美國芯片微細(xì)加工技術(shù)目前正在從亞微米向納米技術(shù)過渡，2002年3月，Intel公司宣布其已采用0.09微米工藝生產(chǎn)出面積僅為1平方微米的SRAM。 超紫外光刻技術(shù)（EUV）被視為是保證摩爾定律今后依舊適用的法寶。EUV技術(shù)可使半導(dǎo)體制造商在芯片上蝕刻電路線的等級達(dá)到0.03微米。比現(xiàn)有制造技術(shù)所產(chǎn)生的芯片性能提高100倍，存儲容量也可以達(dá)到目前的100倍以上。由Intel、IBM、摩托羅拉等公司所組成的企業(yè)聯(lián)盟與美國三個國家實驗室，一直致力EUV的研發(fā)，投入開發(fā)經(jīng)費已逾2.5億美元。 在各芯片廠商都以面積最小化、功能最大化作為發(fā)展方向的趨勢中，將整個電子系統(tǒng)全

11、部集成到一塊單芯片之中的SOC越來越呈現(xiàn)出重要性。集微處理器、快閃存儲器和數(shù)字信號處理器為一體的計算機(jī)芯片。這種高度集成的芯片將對手持計算機(jī)、移動電話和其他移動設(shè)備的改進(jìn)產(chǎn)生巨大影響。,集成電路階段,16,學(xué)習(xí)交流PPT,我國集成電路產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)60年代，80年代中期我國集成電路的加工水平為5微米，其后，經(jīng)歷了3、1、0.8、0.5、0.35微米的發(fā)展，目前達(dá)到了0.18微米的水平，而當(dāng)前國際水平為0.09微米（90納米），我國與之相差約為2-3代。 2001年全國集成電路產(chǎn)量為64億塊，銷售額200億元人民幣。2002年6月,共有半導(dǎo)體企事業(yè)單位651家,其中芯片制造廠46家,封裝、測

12、試廠108家,設(shè)計公司367家,分立器件廠商130家,從業(yè)人員11.5萬人。設(shè)計能力0.180.25微米、700萬門,制造工藝為8英寸、0.180.25微米,主流產(chǎn)品為0.350.8微米。 與國外的主要差距：一是規(guī)模小，2000年,國內(nèi)生產(chǎn)的芯片銷售額僅占世界市場總額的1.5%，占國內(nèi)市場的20%；二是檔次低，主流產(chǎn)品加工技術(shù)比國外落后兩代；三是創(chuàng)新開發(fā)能力弱，設(shè)計、工藝、設(shè)備、材料、應(yīng)用、市場的開發(fā)能力均不十分理想，其結(jié)果是今天受制于人,明天后勁乏力；四是人才欠缺。,集成電路階段,17,學(xué)習(xí)交流PPT,IC的速度很高、功耗很小，但由于 PCB板中的連線延時、噪聲、可靠 性以及重量等因素的限制

13、，已無法 滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求,IC設(shè)計與制造技術(shù)水平的提高， IC規(guī)模越來越大，已可以在一個 芯片上集成108109個晶體管,分立元件,集成電路 I C,系 統(tǒng) 芯 片 System On A Chip (簡稱SOC),將整個系統(tǒng)集成在 一個微電子芯片上,系統(tǒng)芯片(SOC)與集成 電路(IC)的設(shè)計思想是 不同的，它是微電子技 術(shù)領(lǐng)域的一場革命。,集成電路走向系統(tǒng)芯片,將敏感器、執(zhí)行器與信息處理系統(tǒng)集成在一起，從而完成信息獲取、處理、存儲和執(zhí)行的系統(tǒng)功能。,18,學(xué)習(xí)交流PPT,政府的策略：中共中央國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展高科技，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的決定指出：“突出高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的

14、自主創(chuàng)新，培育新的經(jīng)濟(jì)增長點，在電子信息特別是集成電路設(shè)計與制造、網(wǎng)絡(luò)及通信、計算機(jī)及軟件、數(shù)字化電子產(chǎn)品等方面，加強(qiáng)高新技術(shù)創(chuàng)新，形成一批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、具有競爭優(yōu)勢的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)”。,專家的共識：中國科學(xué)院、中國工程院專門成立了包括師昌緒、王淀佐、王越、王陽元等10位院士組成的專家咨詢組。在大量調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，專家們建議，我國在“十五”期間要像當(dāng)年搞“兩彈一星”一樣，集中國家有限的人力和財力，開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代微電子核心工藝技術(shù)及產(chǎn)品。,專家的意見和政府的策略,19,學(xué)習(xí)交流PPT,EDA技術(shù),電子設(shè)計技術(shù)的核心就是EDA技術(shù)。EDA是指以計算機(jī)為工作平臺，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計

15、算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包，主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計工作，即IC設(shè)計、電子電路設(shè)計和PCB設(shè)計。,電子系統(tǒng)設(shè)計自動化(ESDA)階段（ 90年代以后）：設(shè)計人員按照“自頂向下”的設(shè)計方法，對整個系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現(xiàn)，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統(tǒng)行為級設(shè)計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件。,EDA技術(shù)發(fā)展的三個階段：,計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)階段（ 70年代）：用計算機(jī)輔助進(jìn)行IC版圖編輯、PCB布局布線，取代了手工操作。,計算機(jī)輔助工程(CAE)階段（ 80年代）：與CAD相比，

16、CAE除了有純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且通過電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，實現(xiàn)了工程設(shè)計。CAE的主要功能是：原理圖輸入，邏輯仿真，電路分析，自動布局布線，PCB后分析。,ARM開發(fā)板,20,學(xué)習(xí)交流PPT,集成電路發(fā)展目前仍以摩爾定律所揭示的規(guī)律向前發(fā)展，晶圓的面積也在不斷地加大，以軟硬件協(xié)同設(shè)計、具有知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)核（IP核）復(fù)用和超深亞微米技術(shù)為支撐的系統(tǒng)芯片(System on ChipSOC)是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的趨勢和新世紀(jì)集成電路的主流。,IC產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了電路集成、功能集成、技術(shù)集成，直到今天基于計算機(jī)軟硬件的知識集成，其目標(biāo)就是將電子產(chǎn)品系

17、統(tǒng)電路不斷集成到芯片中去，力圖吞噬整個產(chǎn)品系統(tǒng)。單芯片的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)，以單個芯片實現(xiàn)的產(chǎn)品系統(tǒng)不僅僅限于硬件系統(tǒng)，而是一個帶有柔性性能的軟、硬件集合體的電子系統(tǒng)。SoC是微電子領(lǐng)域IC設(shè)計的最終目標(biāo)。,EDA技術(shù),21,學(xué)習(xí)交流PPT,SOC設(shè)計方法學(xué),22,學(xué)習(xí)交流PPT,SoC設(shè)計中的問題,移值方法學(xué) 無網(wǎng)表核 與版圖相關(guān)的步長 寬長比例失配 手繪版圖,時序問題 時鐘重分配 硬核寬度與間距不一致 芯片多重布線導(dǎo)致的RC寄生效應(yīng) 時序重驗證 電路時序,工藝與原始材料問題 非工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝特性 N阱襯底的連接 襯底原始材料 端口與目標(biāo)工藝的層間差異,其它問題 混合信號設(shè)計不可移值 模擬電路的

18、精度 功耗問題,23,學(xué)習(xí)交流PPT,硬件描述語言HDL的現(xiàn)狀與發(fā)展,硬件描述語言HDL是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。利用這種語言，數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計可以從上層到下層（從抽象到具體）逐層描述自己的設(shè)計思想，用一系列分層次的模塊來表示極其復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。然后，利用電子設(shè)計自動化（EDA）工具，逐層進(jìn)行仿真驗證，再把其中需要變?yōu)閷嶋H電路的模塊組合，經(jīng)過自動綜合工具轉(zhuǎn)換到門級電路網(wǎng)表。接下去，再用專用集成電路ASIC或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA自動布局布線工具，把網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為要實現(xiàn)的具體電路布線結(jié)構(gòu)。 HDL的發(fā)展至今已有20多年的歷史，并成功地應(yīng)用于設(shè)計的各個階段：建模、仿真、驗證和綜合

19、等。到20世紀(jì)80年代，已出現(xiàn)了上百種硬件描述語言。20世紀(jì)80年代后期，VHDL和Verilog HDL語言適應(yīng)了面向設(shè)計的多領(lǐng)域、多層次并得到普遍認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言趨勢和要求，先后成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。,24,學(xué)習(xí)交流PPT,在2001年舉行的國際HDL會議上，與會者就使用何種設(shè)計語言展開了生動、激烈的辯論。最后，與會者投票表決：如果要啟動一個芯片設(shè)計項目，他們愿意選擇哪種方案?結(jié)果，僅有2票或3票贊成使用SystemC、Cynlib和C Level設(shè)計；而Superlog和Verilog各自獲得了約20票。至于以后會是什么情況，連會議主持人John Cooley也明確表示：“5年后，誰也

20、不知道這個星球會發(fā)生什么事情?！备鞣饺耸扛鞒旨阂姡簽閂erilog辯護(hù)者認(rèn)為，開發(fā)一種新的設(shè)計語言是一種浪費；為SystemC辯護(hù)者認(rèn)為，系統(tǒng)級芯片SoC快速增長的復(fù)雜性需要新的設(shè)計方法；C語言的贊揚(yáng)者認(rèn)為，Verilog是硬件設(shè)計的匯編語言，而編程的標(biāo)準(zhǔn)很快就會是高級語言，Cynlib C+是最佳的選擇，它速度快、代碼精簡；Superlog的捍衛(wèi)者認(rèn)為，Superlog是Verilog的擴(kuò)展，可以在整個設(shè)計流程中僅提供一種語言和一個仿真器，與現(xiàn)有的方法兼容，是一種進(jìn)化，而不是一場革命。,關(guān)于HDL的一次國際討論會,25,學(xué)習(xí)交流PPT,我國發(fā)展的戰(zhàn)略選擇,1.為了實現(xiàn)我國的芯片設(shè)計自主化，必

21、須夯實基礎(chǔ)，在結(jié)合VHDL的基礎(chǔ)上，推廣Verilog HDL設(shè)計語言，使硬件設(shè)計的底層單元庫可以自主研制；2.根據(jù)目前芯片系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對系統(tǒng)級語言進(jìn)行比較研究，在Suoerlog、SystemC等語言中做出選擇，并進(jìn)行相關(guān)工具的推廣，以及與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行合作等；3. 深入HDL語言的綜合和仿真等模型的研究，努力在與國外合作的基礎(chǔ)上，建立自主知識產(chǎn)權(quán)的EDA公司；4.積極加入EDA目前正在進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化工作，做到了解、學(xué)習(xí)、應(yīng)用、吸收、參與并重；5.政府積極加入，重視產(chǎn)、學(xué)、研的合作，開展卓有成效的發(fā)展模式。,26,學(xué)習(xí)交流PPT,IBM 7090,伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展起來的電子計算

22、機(jī)所經(jīng)歷的四個階段充分說明了電子技術(shù)發(fā)展的四個階段的特性。 第一代（19461957）電子管計算機(jī) 第二代（19581963）晶體管計算機(jī) 第三代（19641970）集成電路計算機(jī) 第四代（1971）大規(guī)模集成電路計算機(jī),世界上第一臺電子計算機(jī)于1946年在美國研制成功，取名ENIAC。這臺計算機(jī)使用了18800個電子管，占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電140千瓦，價格40多萬美元，是一個昂貴耗電的龐然大物。由于它采用了電子線路來執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算和存儲信息，從而就大大提高了運算速度。ENIAC每秒可進(jìn)行5000次加法和減法運算，把計算一條彈道的時間短為30秒。它最初被專門用于彈道運算，

23、后來經(jīng)過多次改進(jìn)而成為能進(jìn)行各種科學(xué)計算的通用電子計算機(jī)。從1946年2月交付使用，到1955年10月最后切斷電源，ENIAC服役長達(dá)9年。,IBM 360 晶體管計算機(jī),ENIAC,品牌電腦,2先進(jìn)智能計算技術(shù),27,學(xué)習(xí)交流PPT,IBM 7090,ENIAC,電子計算機(jī)的發(fā)展,IBM 360 晶體管計算機(jī),品牌電腦,第二代（19581963）晶體管計算機(jī)時代：它的基本電子元件是晶體管，內(nèi)存儲器大量使用磁性材料制成的磁芯存儲器。與第一代電子管計算機(jī)相比，晶體管計算機(jī)體積小，耗電少，成本低，邏輯功能強(qiáng)，使用方便，可靠性高。（IBM 7090）,第三代（19641970）集成電路計算機(jī)時代：它

24、的基本元件是小規(guī)模集成電路和中規(guī)模集成電路，磁芯存儲器進(jìn)一步發(fā)展，并開始采用性能更好的半導(dǎo)體存儲器，運算速度提高到每秒幾十萬次基本運算。由于采用了集成電路，第三代計算機(jī)各方面性能都有了極大提高：體積縮小，價格降低，功能增強(qiáng)，可靠性大大提高。 （IBM 360系列為代表）,第四代（1971）大規(guī)模集成電路計算機(jī)時代：它的基本元件是大規(guī)模集成電路，甚至超大規(guī)模集成電路，集成度很高的半導(dǎo)體存儲器替代了磁芯存儲器，運算速度可達(dá)每秒幾百萬次，甚至上億次基本運算。具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高等特點。,28,學(xué)習(xí)交流PPT,高性能計算： 高性能計算是促進(jìn)科技創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步及國家安全的戰(zhàn)略制高點技術(shù)

25、，世界各主要發(fā)達(dá)國家無不對此高度重視。自70年代開始研究以來，高性能計算機(jī)經(jīng)歷了向量機(jī)、共享主存多處理機(jī)、大規(guī)模并行處理系統(tǒng)等幾個階段。近年來，美國相繼推出高性能計算與通信、加速戰(zhàn)略計算創(chuàng)新等計劃，將高性能計算領(lǐng)域的國際競爭推向高潮。2000年IBM曾宣布，5年內(nèi)將投資1億美元開發(fā)新一代超級計算機(jī)“藍(lán)色基因”，旨在幫助人類探索深層次的生命奧秘，其運算速度將達(dá)到每秒1千萬億次，與目前的桌面PC相比，計算能力將超出2百萬倍。,2先進(jìn)智能計算技術(shù),29,學(xué)習(xí)交流PPT,高性能計算： 北京時間2010年17日，由中國國防科技大學(xué)研制成功的“天河一號”在國際TOP500組織正式發(fā)布的世界超級計算機(jī)500

26、強(qiáng)排行榜上名列第一。研制“天河一號”的中國專家認(rèn)為，這臺計算機(jī)的成功研制是我國超級計算機(jī)發(fā)展的重要里程碑。 排行榜表明，中國“天河一號”二期系統(tǒng)（天河）以每秒4701萬億次的峰值速度和每秒2566萬億次的實測速度位居榜首。此前全球最快的超級計算機(jī)美國“美洲虎”以每秒1759萬億次的實測性能名列第二，速度約為“天河一號”的三分之二。 “這一成績實現(xiàn)了我國自主研制超級計算機(jī)綜合技術(shù)水平進(jìn)入國際領(lǐng)先行列的歷史性突破?！薄疤旌右惶枴惫こ剔k公室主任李楠說，“天河一號”的應(yīng)用將為解決我國重大挑戰(zhàn)性問題提供手段，對提升我國綜合國力具有戰(zhàn)略意義。,2先進(jìn)智能計算技術(shù),30,學(xué)習(xí)交流PPT,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)： 由于神經(jīng)

27、網(wǎng)絡(luò)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一種機(jī)制，即具有大量簡單處理單元(稱為神經(jīng)元)的執(zhí)行高度并行處理的，更接近于生物計算系統(tǒng)的一種計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，多年來人們一直在著手研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軍事電子裝備中的應(yīng)用。神經(jīng)科學(xué)、克隆技術(shù)以及生物技術(shù)的發(fā)展，有可能研制出生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，使其具有人腦一樣的功能，并可與活的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來進(jìn)行控制運算甚至判斷等。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件的實現(xiàn)，將為武器系統(tǒng)帶來革命性的變化，對諸如自主系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)的自動化處理、實時圖像處理和自適應(yīng)信號處理與控制等應(yīng)用項目有著顯著的意義。,2先進(jìn)智能計算技術(shù),31,學(xué)習(xí)交流PPT,人工智能： 未來先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)將成為探索新的有關(guān)知識數(shù)學(xué)表示法的動力。利用形

28、式化結(jié)構(gòu)和描述戰(zhàn)場關(guān)鍵信息(諸如地形、敵兵力意圖的確定性的程度及潛在的結(jié)局組)的知識表示的先進(jìn)技術(shù)將會提高軟件的可靠性。在人工智能的研究和應(yīng)用方面，包括機(jī)器人在內(nèi)的無人化智能作戰(zhàn)平臺的發(fā)展將最為迅速。指揮控制計算機(jī)化、攻擊手段機(jī)器人化的數(shù)字化部隊有可能取得突破性進(jìn)展。隨著計算機(jī)的智能化，通信、傳感和其他信息技術(shù)的發(fā)展和提高，C41SR系統(tǒng)將是一種智能化的系統(tǒng)。系統(tǒng)裝備將朝分布式硬件、環(huán)境綜合、智能決策、遠(yuǎn)程監(jiān)視偵察、無縫通信和全數(shù)字化技術(shù)方向發(fā)展。未來信息化單兵、數(shù)字化部隊乃至機(jī)器人部隊將有可能成為現(xiàn)實。,2先進(jìn)智能計算技術(shù),32,學(xué)習(xí)交流PPT,人機(jī)接口： 數(shù)字處理芯片的發(fā)展使得語音處理與合

29、成技術(shù)日趨成熟，自然語言理解可望取得令人鼓舞的成就，根據(jù)口頭命令識別話音的軟件也將隨著技術(shù)改進(jìn)而被廣泛采用，多語言之間的實時同步翻譯的夢想將成為現(xiàn)實。在超媒體領(lǐng)域，用戶可使用多種不同的信息做匹配導(dǎo)航，出現(xiàn)輔助形式的能使便攜機(jī)顯示手寫體字符的眷寫軟件。立體可視化技術(shù)將會廣泛應(yīng)用，手機(jī)、電話、電視、電腦一體化的趨勢將成為一種潮流。靈境技術(shù)，或稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是繼多媒體技術(shù)之后的新一代人機(jī)系統(tǒng)接口技術(shù)及高級仿真技術(shù)。它將通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感器材，使人可以“浸入”計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境直接觀察事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，產(chǎn)生一種“身臨其境”的真實感。,2先進(jìn)智

30、能計算技術(shù),33,學(xué)習(xí)交流PPT,分布網(wǎng)絡(luò)計算： 預(yù)計將會通過網(wǎng)絡(luò)支持團(tuán)體協(xié)同工作的團(tuán)體軟件(Groupware)；在計算機(jī)通信方面將實現(xiàn)全戰(zhàn)場直到全球“透明”的連通安全，電文、圖形、圖像和電視等信息統(tǒng)一處理，經(jīng)濟(jì)上可承受性的無縫通信?？梢灶A(yù)期，通過推行信息資源標(biāo)準(zhǔn)化等計劃，建立一個全球信息數(shù)據(jù)庫和融合中心網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)將指日可待。屆時，任何時候可向在任何地方的任何需要的指揮員和武裝部隊提供作戰(zhàn)所需要的任何信息，即指揮員將不受地域限制能檢查作戰(zhàn)空域內(nèi)的所有有關(guān)信息。分布式處理將朝著進(jìn)一步利用硬件特性的透明型發(fā)展。透明網(wǎng)絡(luò)便成為21世紀(jì)初的目標(biāo)。,2先進(jìn)智能計算技術(shù),34,學(xué)習(xí)交流PPT,生物計算機(jī)

31、： 一個重要發(fā)展是DNA計算機(jī)。DNA分子中的密碼相當(dāng)于存儲的數(shù)據(jù)，DNA分子間可以在某種酶的作用下迅速完成生物化學(xué)反應(yīng)，從一種基因碼變?yōu)榱硪环N基因碼，反應(yīng)前的基因碼可以作為輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因碼可以作為運算結(jié)果，在制造這種生物計算機(jī)時，首先挑選一些DNA片段分別代表不同的變量，以片段之間的接合和斷開序列代表“與”和“或”邏輯判斷，然后運用生物技術(shù)手段加以控制，探測并分離出生物材料中具有與特定判斷相應(yīng)特征的部分，那么就可以制成一種新型邏輯判斷計算機(jī)。目前，DNA計算機(jī)已經(jīng)可以對赫母霍茲等數(shù)學(xué)問題求解。預(yù)計在未來20年有可能出現(xiàn)與微電子芯片融合的高性能DNA計算機(jī)。例如可用于高性能計算的基因芯

32、片和生物計算機(jī)。,2先進(jìn)智能計算技術(shù),35,學(xué)習(xí)交流PPT,智能結(jié)構(gòu)技術(shù)： 隨著軍用智能技術(shù)的發(fā)展，各種智能結(jié)構(gòu)武器將對未來作戰(zhàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。智能結(jié)構(gòu)最初受到關(guān)注是在70年代末期，美國將光導(dǎo)纖維埋置在復(fù)合材料內(nèi)部，使結(jié)構(gòu)功能產(chǎn)生了顯著改善，自此，智能結(jié)構(gòu)技術(shù)得到廣泛承認(rèn)，發(fā)達(dá)國家紛紛進(jìn)行研究開發(fā)。智能結(jié)構(gòu)給結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展注入創(chuàng)新性的活力，它所具有的卓越性能將對21世紀(jì)的武器裝備產(chǎn)生重大影響。,2先進(jìn)智能計算技術(shù),36,學(xué)習(xí)交流PPT,云計算 2006年谷歌推出了“Google 101計劃”，并正式提出“云”的概念和理論。隨后亞馬遜、微軟、惠普、雅虎、英特爾、IBM等公司都宣布了自己的“云計劃”

33、，云安全、云存儲、內(nèi)部云、外部云、公共云、私有云一堆讓人眼花繚亂的概念在不斷沖擊人們的神經(jīng)。 云計算（Cloud Computing）是由分布式計算（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）、網(wǎng)格計算（Grid Computing）發(fā)展來的，是一種新興的商業(yè)計算模型。目前，對于云計算的認(rèn)識在不斷的發(fā)展變化，云計算沒仍沒有普遍一致的定義。 中國網(wǎng)格計算、云計算專家劉鵬給出如下定義 ：“云計算將計算任務(wù)分布在大量計算機(jī)構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務(wù)”。,2先進(jìn)智能計算技術(shù),37,學(xué)習(xí)交流PPT,通信

34、是一個古老而嶄新的話題。其根源可追溯到公元前3500年，蘇美爾人發(fā)明了楔形文字，埃及人發(fā)明了象形文字，這可以說是最古老的通信方式。而中國古代的烽火臺則是無線通信的鼻祖。現(xiàn)代意義上的通信是在發(fā)現(xiàn)了電現(xiàn)象之后，1793年，法國查佩兄弟倆在巴黎和里爾之間架設(shè)了一條230千米長的接力方式傳送信息的托架式線路。據(jù)說兩兄弟是第一個使用“電報”這個詞的人。現(xiàn)代意義上的無線通信是從莫爾斯開始，1844年5月24日，在座無虛席的國會大廈里，莫爾斯用他那激動得有些顫抖的雙手，操縱著他傾十余年心血研制成功的電報機(jī)，向巴爾的摩發(fā)出了人類歷史上的第一份電報:“上帝創(chuàng)造了何等奇跡！”。現(xiàn)在，通信產(chǎn)業(yè)仍然處在蓬勃發(fā)展階段，

35、各種新的技術(shù)日新月異，層出不窮。,3、通信技術(shù),38,學(xué)習(xí)交流PPT,眾所周知，移動通信是在20世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的，移動通信發(fā)展速度遠(yuǎn)超過固定網(wǎng)絡(luò)，已得到相當(dāng)?shù)钠占啊Ｈ蛞苿油ㄐ庞脩粢呀?jīng)超過4億。人們對移動通信的需求推動了移動通信發(fā)展，至今移動通信已經(jīng)走過了二代，即80年代的第一代模擬技術(shù)和90年代的第二代窄帶數(shù)字技術(shù)。近些年來，隨著無線通信寬帶化技術(shù)的突破，移動通信正在向以CDMA為基礎(chǔ)，以寬帶化通信為特征的第三代3G技術(shù)發(fā)展。,3、通信技術(shù)移動通信,39,學(xué)習(xí)交流PPT,移動通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程,3、通信技術(shù)移動通信,40,學(xué)習(xí)交流PPT,支撐互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是光纖通信。光通信的發(fā)展呈現(xiàn)

36、了以下幾個發(fā)展趨勢： 1、光通信研究的重點已經(jīng)從大容量、超高速轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑?、自動化的實現(xiàn)。自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）就是在這個大背景下產(chǎn)生的。ASON網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點就是實現(xiàn)了以往光網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、冗余的人工連接指配，取之為簡單、便利的自動電路配置。ASON的引入，可以說是光通信發(fā)展歷史的里程碑。 2、光網(wǎng)絡(luò)的邊緣化也是光通信發(fā)展的另一個趨勢。長久以來，光網(wǎng)絡(luò)都是作為整個通信體系中的最底層傳輸層。但是，隨著通信行業(yè)的迅速發(fā)展，城域網(wǎng)、接入網(wǎng)也越來越希望引入光網(wǎng)絡(luò)，于是，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展從核心網(wǎng)正在向邊緣網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。 光通信經(jīng)過了前幾年的低谷以后，現(xiàn)在正處于一個艱難的上升階段。,3、通信技術(shù)光纖通信,41,學(xué)

37、習(xí)交流PPT,1945年，英國的科幻小學(xué)作家阿瑟C克拉克在世界上首次提出了使用衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線電通信和無線電廣播的設(shè)想，這位作家在無線電雜志上發(fā)表了一篇文章，提出用火箭發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，繞地球轉(zhuǎn)動，然后，地面上發(fā)送信號給衛(wèi)星，通過衛(wèi)星再傳回地面。 1957年10月4日，原聯(lián)蘇成功發(fā)射了人類歷史上第一顆人造地球衛(wèi)星。 根據(jù)運行軌道的高度不同，可將人造地球衛(wèi)星分為三種類型： （1）低高度衛(wèi)星（小于5000km） （2）中高度衛(wèi)星（5000km） （3）高高度衛(wèi)星（大于20000km）,6、通信技術(shù),3、通信技術(shù)衛(wèi)星通信,42,學(xué)習(xí)交流PPT,覆蓋區(qū)大,通信距離遠(yuǎn),三顆同步衛(wèi)星可覆蓋全球 頻帶寬,

38、容量大 機(jī)動性好,不受地理條件限制 通信可靠性高,質(zhì)量好,穩(wěn)定 費用與距離無關(guān) 有多址能力,組網(wǎng)靈活 可實現(xiàn)區(qū)域及全球個人移動通信,3、通信技術(shù)衛(wèi)星通信,衛(wèi)星通信的特點,43,學(xué)習(xí)交流PPT,同步通信衛(wèi)星向大容量,多波束,智能化發(fā)展 低軌衛(wèi)星群與蜂窩技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)全球個人通信 小型衛(wèi)星通信地面站(VSAT)廣泛應(yīng)用 電視直播(DVB)和數(shù)字聲廣播(DAB)步入家庭和個人用戶 多媒體通信和因特網(wǎng)接入 微小衛(wèi)星和納衛(wèi)星,3、通信技術(shù)衛(wèi)星通信,衛(wèi)星通信發(fā)展趨勢,44,學(xué)習(xí)交流PPT,利用生物分子信息材料裝配電子元件和儀器的技術(shù)，美國國防高級研究計劃局(DARPA)把它看成是能使未來作戰(zhàn)發(fā)生革命性變

39、化的技術(shù)之一。目前，進(jìn)展較快的是光學(xué)開關(guān)模式的生物分子器件。一些實驗室已經(jīng)制造出這種模式的并行處理器件、三維數(shù)據(jù)存儲器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等原型器件。在未來幾十年內(nèi)，有可能研制出可裝入計算機(jī)的高密度生物電子存儲器，以及基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)的其他一些器件(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能所必須的關(guān)聯(lián)存儲器等)。 近年來，各國軍方仿生技術(shù)的研究包括：飛機(jī)、艦艇設(shè)計的進(jìn)一步優(yōu)化；雷達(dá)、聲納和導(dǎo)航、測控裝置的全面改進(jìn)；一些新通信設(shè)備、新偵察裝備和新兵器的研制；以及模仿天然生物材料的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和功能來制造硬度與韌性更大、強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕和更加耐用的裝甲材料及其他材料等方面進(jìn)行。,4生物分子電子技術(shù),45,學(xué)習(xí)交流PPT,納米技

40、術(shù)是一門新興技術(shù)，使人類最終能夠按照自己的意愿操縱單個原子和分子，以實現(xiàn)對微觀世界的有效控制。 有人曾這么說，21世紀(jì)將是納米世紀(jì)。據(jù)預(yù)測，單原子、單分子存儲操作技術(shù)可能于2007年開發(fā)成功，單電子晶體管集成電路2015年將實用化，量子功能電子技術(shù)的發(fā)展將可能導(dǎo)致單量子計算機(jī)和量子波計算機(jī)、單量子通信設(shè)備和量子波通信設(shè)備、家用量子設(shè)備等的普遍出現(xiàn)，使所有的電子設(shè)備體積和能耗大為縮小。 微電子技術(shù)與機(jī)電技術(shù)相結(jié)合，和納米電子學(xué)同時伴生的以硅材料為基礎(chǔ)的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，作為當(dāng)今最具革命性的新科學(xué)，已經(jīng)引起世界各國科學(xué)家、政府和軍隊的高度重視，對21世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式和人類生活質(zhì)量將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并即將形成難以估量的龐大的高技術(shù)市場，其規(guī)模之大，可能超過微電子芯片產(chǎn)業(yè)，成為世界十大科學(xué)技術(shù)之一。,5納米電子技術(shù),46,學(xué)習(xí)交流PPT,納米電子學(xué)主要在納米尺度空間內(nèi)研究電子、原子和分子運動規(guī)律和特性，研究納米尺度空間內(nèi)的納米膜、納米線。納米點和納米點陣構(gòu)成的基于量子特性的納米電子器件的電子學(xué)功能、特性以及加工組裝技術(shù)。其性能涉及放大、振蕩、脈沖技術(shù)、運算