计算机硬件新技术报告

报告人:李燕

摘要：计算机在我们的日常生活中以及在众多的领域当中得到广泛使用，计算机向着小型化、网络化、多样化不断的发展着，而构成计算机的硬件也同样在飞速发展。各种各样的硬件新技术融入到人们的生活当中，比如我们现在通讯设备中需要传输信息的材料，我们电脑上能够将完整的计算机的所有功能都汇聚于一块芯片上，还有用及其微小的纳米器件发明出来的伟大产品等等，所以我们有必要好好探讨计算机硬件新技术的有关内容。

计算机系统是由硬件系统与软件系统两部分组成，可见少了哪一部分计算机都无法正常运作。计算机是按照一定的程序自动进行程序处理的工具，而为了处理这些问题所编出来的程序都是按照一定的算法运作的。通过事先编好的程序来控制计算机处理各类信息，达到预想的效果。当然硬件就在其中发挥了不小的作用。计算机硬件（Computer hardware）是指计算机系统中由电子，机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体为计算机软件运行提供物质基础。简而言之，计算机硬件的功能是输入并存储程序和数据，以及执行程序把数据加工成可以利用的形式。从外观上来看，微机由主机箱和外部设备组成。主机箱内主要包括CPU、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、线、电源等；外部设备包括鼠标、键盘、显示器、音箱等，这些设备通过接口和连接线与主机相连。（来自百度百科） 相关历史：

第一代计算机是由真空管制造电子原件的计算机，利用穿孔卡作为主要介质，即使其体积庞大，重量惊人，耗电量也十分大，不过这类电子计算机为接下来的电子计算机的发展奠定了良好的基础。

19xx年晶体管的发明引起了计算机发展的飞跃，晶体管相比较于真空管有着巨大的优势，计算机开始使用晶体管制造电子元件，这样的电脑被称作第二代计算机。相较真空管计算机，晶体管计算机无论是耗电量还是产生的热能都大大降低，可靠性和计算能力大为提高。第二代计算机用磁芯制造内存，利用磁鼓和磁盘取代穿孔卡作为主要的外部存储设备。在这一时期，也就19xx年，美国德

克萨斯州仪器公司的工程师基尔比(Jack Kilby)在一块半导体硅晶片上将电阻、电容等分立元件集成在里面，制成世界上第一片集成电路，这也为基尔比赢得了20xx年的诺贝尔物理学奖，并且也为也为后来的超大规模集成电路奠定了基础。19xx年，美国仙童公司的诺伊斯用一种平面工艺制成半导体集成电路，从此开启了集成电路比黄金还诱人的时代。其后，摩尔、诺宜斯、葛洛夫这三个“伙伴”离开原来的仙童公司，一起开创事业——筹建一家他们自己的公司——Intel。 第三代计算机的特征是使用集成电路代替晶体管，使用硅半导体制造存储器。在这一时期，Intel的创始人之一摩尔提出了IT界的摩尔定律——微处理器芯片的电路密度，以及它潜在的计算能力，每隔18个月翻一番，后来的无数事实证明了这一点。最后，现在电脑比不可少的硬件之一。

第四代的计算机开始与我们所熟悉的电脑相同。第四代计算机开始使用了大规模集成电路和超大规模集成电路，出现了CPU，声卡，显卡，内存，主板，硬盘这些我们熟悉的电脑硬件。

总结：计算机硬件的历史发展曲折，但每一次的历史演变都是一个巨大的进步，创新都是在矛盾中产生，因为不足而改进，因为需求而创造，过去人类的伟大发明为我们现如今的生活做出了巨大的贡献，这是知识与智慧的结晶，我们应该抱着敬仰的态度去学习，去了解。

硬件新技术包括许多内容如信息材料，Soc技术，纳米器件等。这里我将主要对这几方面进行探讨：

一、信息材料：

属于功能材料，是为实现信息探测、传输、储存、显示和处理等功能用的材料。信息处理材料是制造信息处理器件如晶体管和集成电路的材料。目前使用最多的是硅，砷化镓也是一种重要的信息处理材料。

信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料，主要包括单晶硅为代表的半导体微电子材料、激光晶体为代表的光电子材料、介质陶瓷和热敏感陶瓷为代表的陶瓷材料钕铁硼永磁材料为代表的磁性材料、光纤通信材料、磁存储和光盘存储为主的数据存储材料等。这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。

电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化合集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、Sic、GaN、ZnSe等宽带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料及各种纳米电子材料等。

信息材料有很多种分类，可以按照功能分类如：半导体微电子材料、光电子材料、电子陶瓷材料、磁性材料、光纤通信材料、磁存储和光盘存储为主的数据存储材料、压电晶体与薄膜材料和光伏材料。这些材料对我们的生活有着重大的影响。

微电子材料：主要是大真径（400mm）硅单晶及片材技术，大直径（200mm）硅片外延技术，150mmGaAs和100mmInP晶片及其以它们为基的III－V族半导体超晶格、量子阱异质结构材料制备技术，GeSi合金和宽禁带半导体材料等。从19xx年代末期晶体管问世以来，电子工业始终以基础科学为先导，日新月异。材料科学与工程在电子工业的成长中扮演了极其重要的角色。高纯度及几乎无缺陷硅晶的生长，靠“区段纯化”及“柴氏拉伸法”才得以实现，因而促进集成电子工业的全面发展。其他如切割、抛光、化学炎魔试片、清洁表面、确定晶面方向、光刻胶处理、刻蚀技术、离子注入、外延生成、金属膜及绝缘膜蒸镀，封装等各种处理材料的工艺步骤，以及各种物理性质、结构、成分及缺陷的分析，无一不与材料的工艺及分析息息相关。

微电子材料有着较“轻、薄、短、小”的特点，所需要的材料总量不大，所以跟其他材料相比起来就比较节省材料；真空管尽管非常好，但是有时候我们在使用上面往往会用晶体管来代替真空管，这也是微电子材料的一个特性，那就是制造上节省能源；如个人电脑与早期利用真空管工作的计算器，功能有过之而无不及，所占的空间大为减小。

用了微电子材料之后，可以增加其工作性能：如机器操作自动化，新机件自动校准，现场诊断测试能力可以大增。当然耐用可靠也是一大优势：家里的电视机，收音机。这些家用电器在使用的过程中，难免会出现某种问题，但是相比起来其他的材料，微电子材料还是很耐用可靠的，是大多数生产厂家的首选。耐用可靠，性能还高的材料一般情况下价格也会随之较高，但是微电子半导体材料却不一样，微电子器件制造随其微小化，生产力逐渐增加，相关产品价格也逐渐下

降，与一般产品价格逐年上涨有着明显的差异。

微电子材料的应用也是相当广泛的。我们家中的家电用品，现在流行的信息产品，以及必不可少的医疗及工业设备和国防设备中都可以体现出微电子材料的应用。 光电子材料（optoelectronic material）：在光电子技术领域应用的，以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的材料。光电子技术是结合光学和电子学技术而发展起来的一门新技术，主要应用于信息领域，也用于能源和国防领域。已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料（如电致发光材料和液晶显示材料）和光电集成材料。

电子陶瓷材料（electronic ceramic）：在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷。电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。其中最重要的是需要具有 高的机械强度，耐高温高湿，抗辐射，介质常数在很宽的范围内变化，介质损耗角正切值小，电容量温度系数可以调整。抗电强度和绝缘电阻值很高以及老化性能优异等。在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用

磁性材料：是古老而用途十分广泛的功能材料，而物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用，例如中国古代用天然磁铁作为指南针。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等。可以说，磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。而通常认为，磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。

光纤通信材料：光纤损耗小传输距离长，传输带宽宽，容量大，而且光线能够不受电磁的干扰。光线的串音小，保密性好并且抗腐蚀，这类资源比较丰富，方便人们取得及使用。

磁存储和光盘存储为主的数据存储材料：以存储密度高、寿命长为特点的光盘存储技术是信息科技的重要组成部分.高密度光盘已成为当今多媒体时代数据存储的关键设备.存储介质一直是高密度光存储技术中的瓶颈问题.于是寻求新型

高性能光记录介质和发展新的高质量记录膜的制备方法成为当前的重要任务.尽管对有机光存储。

压电晶体与薄膜材料：某些介质在机械力作用下发生电极化和电极化的变化，这样的性质称为压电效应。电极化的改变导致介质与极化方向垂直的两端面出现了等量反号的束缚电荷变化，这是由于压力造成了电荷的变化，这就是压电性的由来。具有这一性质的材料称为压电材料。压电效应还有逆压电效应。逆压电效应是指：当在材料的一定方向上施加外部电场时，该材料的对应方向上产生内应力和应变现象。其应力和应变同所施的电场强度成正比。逆压电效应又称为电致变形现象，压电效应又称被称为正压电效应。

压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，它的发展有着十分悠久的历史。自19世纪80年代居里兄弟在石英晶体上发现了压电效应后，压电材料开始引起人们的广泛注意，压电材料的研究和发展迅速展开。随着研究深入，不断涌现出大量的压电材料，如压电功能陶瓷材料、压电薄膜、压电复合材料等。这些材料有着十分广泛的用途，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用。压电薄膜材料是重要的信息功能材料，它可以实现声信号与电信号之间的转变。微晶择优取向的压电薄膜材料兼备单晶和陶瓷的优点，即表面光滑致密，易于制备，价格低廉，便于调节性能，并可靠稳定。

光伏材料（solar cell materials）：能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能，太阳能光伏发电。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚处于开发阶段。致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。

总结：由以上可见信息材料在我们现如今的生活当中扮演者多么重要的角色，我们无时无刻都在于这些信息材料接触，它们是连接人与人之间的纽带，是世界沟通的桥梁，是促进祖国发展的基石。我们更要好好利用这些资源，创造出利民利国的伟大发明。

二、Soc技术：

System on Chip的缩写，称为系统级芯片,也有称片上系统,意指它是一个产品,是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始到软硬件划分，并完成设计的整个过程。

从狭义角度上来讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度上来讲，Soc是一个微小型系统，如果说中央处理器（CPU）是大脑，那么Soc就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般都倾向于将Soc定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器（或者外存储控制接口）集成在单一的芯片上，它通常是客户端定制的，或者是面向特定用途的标准产品。

Soc定义的基本内容有两方面，一是构成，二是形成过程。系统及芯片的构成可以说是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU内核模块、数字ixnhao处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模含有ADC/DAC的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块、对于一个无线soc还有射频前端模块、用户定于逻辑以及微电子机械模块，更重要的是一个soc芯片内嵌有基本软件模块或者可载入的用户软件等。系统级芯片形成或产生包括以下三个方面：基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证；再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例有效提高即开发研究IP核生成及复用技术，特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等；超深亚微米，纳米集成电路的设计理论和技术。

SOC，是个整体的设计方法概念，它指的是一种芯片设计方法，集成了各种功能模块，每一种功能都是由硬件描述语言设计程序，然后在SOC内由电路实现的；每一个模块不是一个已经设计成熟的ASIC“器件”，只是利用芯片的一部分资源去实现某种传统的功能。这种功能是没有限定的，可以是存储器，当然也可以是处理器，如果这片SOC的系统目标就是处理器，那么做成的SOC就是一个MCU；如果要做的是一个完整的带有处理器的系统，那么MCU就是整个SOC中的一个模块，一个IP。SOC可以做成批量生产的通用器件，如MCU；也可以针对某一对象专门设计，可以集成任何功能，不像MCU那样有自身架构的限定。它的体积可以很少，特殊设计的芯片可以根据需要减少体积、降低功耗，在比较

大的范围内不受硬件架构的限制（当然，它也是会受芯片自身物理结构的限制，如晶圆类型、大小等）。

SOC的一大特点就是其在仿真时可以连同硬件环境一起仿真，仿真工具不只支持对软件程序的编译调试，同时也支持对硬件架构的编译调试，如果不满意硬件架构设计，想要加一个存储器，或是减少一个接口都可以通过程序直接更改，这一点，MCU的设计方法是无法实现的，MCU的方法中，硬件架构是固定的，是不可更改的，多了只能浪费，少了也只能在软件上想办法或是再加，存储空间不够可以再加，如果是接口不够则只能在软件上想办法复用。仿真之后可以通过将软、硬件程序下载到FPGA上进行实际硬件调试，以便更真实地进行器件测试。 如果硬件调试成功后直接投片生产成“固定结构的芯片”，则其为普通的SOC；如果其硬件就是基于FPGA的，也就是说它是“用FPGA做为最终实现” 的，它在以后也可以随时进行硬件升级与调试的，我们就叫它为SOPC的设计方法，所以说SOPC是SOC的一种解决方案。 SOPC设计灵活、高效，且具有成品的硬件可重构特性（SOC在调试过程中也可硬件重构），它的适用性可以很广，针对不同的对象，它可以进行实时的结构调整，如减少程序存储空间、增加接口数目等，这一附加价值是任何固定结构IC所无法具备的，但它的价格可能会比批量生产的固定结构IC要贵得多！

总结：Soc技术对于人类的影响不言而喻，一块芯片就能够装载所有计算机的内容这是前人所无法想象的，现在的社会，越来越数字化，信息化，需求也在日益增多，而这种技术的出现，不仅大大的满足了当前人们的需求，而且还为以后计算机硬件的发展奠定了坚实的基础。

二、纳米器件

纳米（nm），又称毫微米，是长度的度量单位。单个细菌用肉眼是根本看不到的，用显微镜测直径大约是五微米。举个例子来说，假设一根头发的直径是0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米。也就是说，一纳米就是0.000001毫米.纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术的发展带动了与纳米相关的很多新兴学科。有纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生

物学等。全世界的科学家都知道纳米技术对科技发展的重要性，所以世界各国都不惜重金发展纳米技术，力图抢占纳米科技领域的战略高地。我国于19xx年召开纳米科技发展战略研讨会，制定了发展战略对策。十多年来，我国纳米材料和纳米结构研究取得了引人注目的成就。目前，我国在纳米材料学领域取得的成就高过世界上任何一个国家，充分证明了我国在纳米技术领域占有举足轻重的地位。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 对于固体粉末或纤维，当其有一维尺寸小于100nm，即达到纳米尺寸，即可称为所谓纳米材料，对于理想球状颗粒，当比表面积大于60m2/g时，其直径将小于100nm，达到纳米尺寸。现时很多材料的微观尺度多以纳米为单位，如大部份半导体制程标准皆是以纳米表示。直至20xx年6月，最新的中央处理器制程是22nm。纳米如此细小的单位应用到计算机硬件上面，又会擦出什么样的火花呢？

纳米电子学诞生是微电子学发展到今天的必然，纳米电子器件是继微电子器件之后的下一代固体电子器件，纳米电子材料与器件是纳米电子学的基础和关键。本书较为系统地阐述了纳米尺度的电子学的理论基础和实验研究现状，全书共分八章，内容包括：纳米电子学的诞生和发展综述；纳米材料及其电子学性质；纳米硅基CMOS器件；纳米电子学基础；固态纳米电子器件；纳米光电子材料和器件；纳米表征和纳米制造技术；碳纳米管场致发射显示器。

总结：如今，纳米器件的应用也是十分广泛的。如我们所熟知的：血管纳米“潜水艇”、纳米机器人、纳米机器蚂蚁、袖珍飞机、袖珍昆虫等等。世界上的每一个现实存在的物体都是由分子组成的，在理论上，纳米机器可以构建所有的物体。当然理论和显示有着一定的差距，但是纳米机械专家意见表明，实现纳米技术的应用也是可行的。

我们生活在计算机发展的黄金时期，迅猛发展的计算机硬件技术为软件的不断更新创造了良好的平台，为我们的生活添光如彩。

趋势1：更小巧 趋势2：更个性 趋势3：更聪明 趋势4：更廉价 趋势5：更“无线” 趋势6：更普遍 趋势7：更时尚。

参考资料

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/view/85e04d07227916888486d75d.html?re=view /subview/1714/10542971.htm?fr=aladdin

参考文献

《计算机硬件的发展》

《计算机新技术》