《自然科學(xué)基礎(chǔ)》第十八章課件

1、信息技術(shù)信息社會 01 信息技術(shù)與信息社會 所謂信息技術(shù)，就是對信息進(jìn)行采集、傳遞、加工、儲存和利用等的技術(shù)。 現(xiàn)代信息技術(shù)是二次世界大戰(zhàn)以后，隨著電子計算機(jī)的發(fā)明和半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展而迅猛發(fā)展起來的。它先是在軍事、通信、科學(xué)計算等領(lǐng)域得到應(yīng)用，現(xiàn)已推及國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，形成一個以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為核心，包括微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動化技術(shù)、信息光電子技術(shù)、人工智能技術(shù)以及諸交叉綜合技術(shù)在內(nèi)的龐大技術(shù)群，并由此形成了一門新興主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)信息產(chǎn)業(yè)。 人們把這種正在進(jìn)行中的巨大變化稱為信息革命，它是當(dāng)代科技革命的主要標(biāo)志。信息革命主要包含兩方面的涵義：一是指信息技

2、術(shù)革命；二是指信息技術(shù)的發(fā)展引起的社會和整個科技系統(tǒng)的重大變革。 信息革命使得人類歷史在經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)社會、工業(yè)社會之后，逐步進(jìn)入信息社會。相對于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)社會、工業(yè)社會，信息社會主要具有以下新的特點(diǎn)：一是 信息將成為比能源、材料、資本等更為重要的資源和競爭要素，對它的掌握和有效利用在很大程度上決定競爭的勝負(fù)，而對信息中最重要的部分人類所創(chuàng)造的知識的應(yīng)用和創(chuàng)新，將成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)因素。二是 信息產(chǎn)業(yè)將成為世界經(jīng)濟(jì)體系中最具活力的領(lǐng)域，并對整個產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。三是 信息技術(shù)的發(fā)展使時空距離相對縮短，地球?qū)⒆兂梢粋€“地球村”，全球經(jīng)濟(jì)趨于一體化，社會加速轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式、工作方式、教育

3、方式、生活方式和職業(yè)內(nèi)涵都將發(fā)生巨大變化。微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用微電子技術(shù)的代表集成電路技術(shù) 02 微電子技術(shù)微電子技術(shù)是20世紀(jì)下半葉才發(fā)展起來的。目前，微電子技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出“三微四最”的特征，其中，“三微”是指尺寸微米級、功耗微瓦級、速度毫微秒級，“四最”是指最佳方案、最潔凈環(huán)境、最低成本和最精細(xì)工藝。圖18-1 中央處理器微電子技術(shù)使微型電腦更新?lián)Q代、電子產(chǎn)品智能化、控制系統(tǒng)自動化得以實(shí)現(xiàn)，尤其引起了計算機(jī)技術(shù)的巨大變革。個人電腦的核心中央處理器就是一塊微電子芯片，如圖18-1所示。該芯片不斷改進(jìn)，才有了電腦從386、486、586到奔騰的更新?lián)Q代。 所謂集成電路，是指把某一單元電路用

4、集成工藝制作在同一基片上，使之具有和單個分開的元器件所制作的電子線路同等或更好的功能，如圖18-2所示?，F(xiàn)有的集成電路主要是將電阻、電容、二極管、三極管等元器件及其互連線集成制作在單個半導(dǎo)體硅片上的半導(dǎo)體集成電路，又稱為芯片。圖18-2 集成電路 集成電路技術(shù)可以分為“設(shè)計”和“制造”兩大部分?！霸O(shè)計”是指半導(dǎo)體芯片的設(shè)計技術(shù)，以開發(fā)新的功能或使最終產(chǎn)品獲得優(yōu)良的性能價格比，現(xiàn)在一般采用計算機(jī)輔助設(shè)計。“制造”過程中的關(guān)鍵技術(shù)可概括為“三超”技術(shù)：一是超凈技術(shù)；二是超高純度技術(shù)；三是超微細(xì)加工技術(shù)。電子計算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展電子計算機(jī)的組成03 計算機(jī)技術(shù)計算機(jī)技術(shù)的升級與發(fā)展 讓機(jī)器代替人進(jìn)行計

5、算是人類久遠(yuǎn)的夢想，從算籌、算盤、加法器、數(shù)據(jù)處理機(jī)到計算機(jī)，經(jīng)過了漫長的探索。 我國的電子計算機(jī)研制始于1958年，在19581959年先后制成小型和大型電子計算機(jī)。20世紀(jì)60年代中期制成一批晶體管計算機(jī)，后期開始研制集成電路計算機(jī)。20世紀(jì)80年代以后，微型機(jī)和巨型機(jī)技術(shù)都取得重大進(jìn)展。（一）硬件 計算機(jī)硬件主要由中央處理囂、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等組成。1中央處理器中央處理器簡稱CPU，它包括運(yùn)算器和控制器。運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，所謂邏輯運(yùn)算就是對各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較、判斷、處理?？刂破魇怯嬎銠C(jī)的指揮系統(tǒng)，由它發(fā)出信號，操縱計算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。 2存儲器計算機(jī)的程

6、序、數(shù)據(jù)及運(yùn)算過程中的中間結(jié)果和最終結(jié)果等信息都需要在存儲器中“寫入和讀出”，有的是永久性的，有的是暫時性的存儲。計算機(jī)中的存儲器有主存儲器（內(nèi)存）和輔存儲器（外存）。目前所用的主存儲器是由半導(dǎo)體集成電路構(gòu)成的，根據(jù)其存儲功能又可分為隨機(jī)存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。輔助存儲器就是磁盤和磁盤驅(qū)動器（硬盤、軟盤）、光盤和光盤驅(qū)動器，用于長期保存數(shù)據(jù)和程序。（一）硬件3輸入設(shè)備輸入設(shè)備是將外界信息轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別的二進(jìn)制代碼，輸送到計算機(jī)存儲器中保存。外界信息主要是原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序，包括數(shù)字符、字母、控制符、圖形、圖像和聲音等多媒體信息。微機(jī)中的基本輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、

7、光筆、話筒、掃描儀、攝像儀等。 4輸出設(shè)備輸出設(shè)備的功能是將經(jīng)過計算機(jī)處理后的結(jié)果用人們能接受或其他外部設(shè)備所需要的形式表示出來。設(shè)備輸出結(jié)果是符合多媒體需求的。微機(jī)中基本的輸出設(shè)備包括顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音響系統(tǒng)、外存儲器、磁盤和光盤等。（二）軟件 電子計算機(jī)只有硬件還不能完成各種信息處理任務(wù)，必須為計算機(jī)執(zhí)行各種任務(wù)編制相應(yīng)的程序，這些程序的總和統(tǒng)稱為軟件。 當(dāng)使用者根據(jù)工作需要確定了硬件的總體配置以后，這臺計算機(jī)所能發(fā)揮的作用在很大程度上就取決于軟件了。所以，要使計算機(jī)能很好地工作，必須“軟硬兼施”。 計算機(jī)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、金融、辦公室管理、文化娛樂及家庭生活等各個方

8、面，成為信息時代必不可少的工具。特別是目前在計算機(jī)應(yīng)用方面，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化以及計算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展正方興未艾，將給人們的工作和生活方式帶來巨大的影響。 超級計算機(jī)是指能夠執(zhí)行一般個人電腦無法處理的大資料量與高速運(yùn)算的電腦。超級計算機(jī)是計算機(jī)中功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲容量最大的一類計算機(jī)。1超級計算機(jī)2014年，全球超級計算機(jī)500強(qiáng)榜單中，由國防科大研制的超級計算機(jī)系統(tǒng)“天河二號”（見圖18-3）以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能連續(xù)第四次獲得冠軍，成為全球最快的超級計算機(jī)，比第二名美國“泰坦”速度快了近一倍。1超級計算機(jī)圖18

9、-3 “天河二號”超級計算機(jī) 人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。人工智能是一門極富挑戰(zhàn)性的科學(xué)，從事這項(xiàng)工作的人必須懂得計算機(jī)知識、心理學(xué)和哲學(xué)。2人工智能（AI）人工智能發(fā)展的方向如下： 提高精確運(yùn)算能力； 提高模糊運(yùn)算能力； 提高創(chuàng)造性思維能力。相當(dāng)于人右腦的功能，也就是理性思維，和相當(dāng)于人左腦的功能，也就是潛意識和感性思維，后者在技術(shù)上比較難解決一

10、些。第步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，計算機(jī)的精確運(yùn)算能力遠(yuǎn)比人腦強(qiáng)很多，多年前電腦“深藍(lán)”戰(zhàn)勝國際象棋大師卡斯帕羅夫就是例證；第步和第步還需要一定的發(fā)展過程。 美國猶他州州立大學(xué)的計算機(jī)教授雨果德加里斯是全球第一臺人工大腦的制造者，是世界人工智能領(lǐng)域的先驅(qū)，有“人工大腦之父”的美譽(yù)，其在日本的人工大腦與家貓的智力相當(dāng)。微波中繼通信與衛(wèi)星通信光纖通信 04 通信技術(shù)移動通信和個人通信 微波中繼接力通信線路是由兩端的終端站和其間一連串的中繼站組成接力通信，中繼站完成放大、轉(zhuǎn)發(fā)及分路作用。由于微波頻率很高，它在空間的傳輸接近直線。 接收和發(fā)送的微波天線通常采用拋物面，天線相鄰兩站之間的距離盡量不超過視線距離。 衛(wèi)星

11、通信是地面上微波中繼接力通信轉(zhuǎn)向航天空間的發(fā)展，是微波中繼通信的特殊形式。 衛(wèi)星通信必須采用微波頻段，因?yàn)榈孛嬲景l(fā)送到衛(wèi)星上的電磁波信號必須穿透大氣層特別是電離層。因?yàn)殡婋x層對一般電磁波是反射的，只有微波頻段中的某些頻段具有穿透電離層的能力，才能實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星間的通信任務(wù)。 衛(wèi)星通信與其他通信方式比較，有其獨(dú)特之處： 通信距離遠(yuǎn)，不受地理?xiàng)l件的限制，特別適用于遠(yuǎn)距離通信，容易實(shí)現(xiàn)全球通信。 以廣播形式工作，只要在衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍內(nèi)設(shè)置地面站，既可接收，也可發(fā)送。地面站之間可以同時通信，同時實(shí)現(xiàn)多方向、多地點(diǎn)通信，可以提高通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的效率和靈活性，有利于移動通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。 通信容量大，能

12、傳送的業(yè)務(wù)類型多，隨著新體制、新科技的進(jìn)一步開發(fā)，通信容量越來越大，更適合數(shù)字化通信，大大提高了通信質(zhì)量。 光纖通信是利用光波作載波，在光導(dǎo)纖維中傳輸光信號的通信方式。這里的光波是由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的相干光。光導(dǎo)纖維是傳導(dǎo)激光的波導(dǎo)，是從微波波導(dǎo)中的介質(zhì)波導(dǎo)發(fā)展出來的光波導(dǎo)。 光纖是由超純石英玻璃拉制成的。在光纖通信系統(tǒng)中，最大的中繼距離達(dá)到372 km。用光纜（見圖18-4）代替電纜，可以節(jié)約大量的銅、鋁等金屬材料，地球上的銅、鋁等儲量不多，而制造光導(dǎo)纖維的原料是SiO2，地球上硅（Si）的資源遠(yuǎn)比銅、鋁豐富得多。圖18-4 光纜 目前光纖通信系統(tǒng)正在向長中繼距離、超大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸和寬

13、帶信息傳輸?shù)确较虬l(fā)展。全部由光波器件（集成光路）組成的全光通信系統(tǒng)正在研制。利用光纖通信的大容量、高速率，可以實(shí)現(xiàn)各個城市間長途自動撥號、國際長途自動撥號，隨意收看各地的電視節(jié)目，開展遠(yuǎn)程教育等。第一代 20世紀(jì)80年代我國流行BP機(jī)（無線尋呼機(jī)），90年代開始用“大哥大”，實(shí)際就是第一代移動通信技術(shù)，采用的是模擬移動通信系統(tǒng)，存在容量小、干擾大、保密性差等缺陷。第二代 移動通信（2G）采用數(shù)字移動通信系統(tǒng)，除了提供話音通信服務(wù)外，還可提供低速數(shù)據(jù)和短消息服務(wù)。最早推出的是歐洲研制的GSM系統(tǒng)（全球移動通信系統(tǒng)），后來世界上還有其他一些第二代移動通信系統(tǒng)推出，其中影響最大的就是由美國高通公司研制的CDMA（碼分多址）移動通信系統(tǒng)。第三代 移動通信（3G）采用了一系列先進(jìn)技術(shù)，如功率控制技術(shù)、軟切換技術(shù)、智能天線技術(shù)、“藍(lán)牙”技術(shù)。3G的優(yōu)點(diǎn)是：用戶容量大、服務(wù)