1.1.4 摩爾定律的終結或超摩爾時代

沿著摩爾預測的集成電路發展路徑，集成電路加工線寬逐漸減小，2015年最小線寬已經達到7nm，進入介觀物理學的范疇。如果繼續單純地縮小溝道寬度，將受到以下三個方面的制約。

（1）物理制約

一方面介觀尺度的材料含有一定量粒子，無法僅用薛定諤方程求解；另一方面，其粒子數又沒有多到可以忽略統計漲落的程度。這就使得集成電路技術的進一步發展遇到很多物理障礙，如費米釘扎、庫倫阻塞、量子隧穿、雜質漲落、自旋輸運等，需用介觀物理和基于量子化的處理方法來解決。

（2）功耗制約

提高器件性能（以時鐘頻率為代表參數）與降低功耗之間的矛盾如圖1.13所示。

隨著技術節點的推進，器件的時鐘頻率以20%的幅度提高，但器件的功率密度也大幅度增加。如果將功率密度保持在40 W/cm2，則最高時鐘頻率將無法提高，甚至在采用14nm的技術節點之后，其時鐘頻率反而有所下降。

（3）經濟制約

圖1.14表明，90nm技術節點的每百萬門成本為0.0636美元，其后，65nm、40nm至28nm的成本一直呈下降趨勢；但是，在進入20nm技術節點后，每百萬門的成本將不再按摩爾定律下降，反而有所上升。也就是說，今后在更高速度、更低功耗和更低成本這三者中，如果以成本作為主要指標，則性能與功耗很難再有較大的改善；反之，芯片廠商和用戶若以性能和功耗為主要訴求，則必須付出相應的代價，而不再享受摩爾定律帶來的成本降低的“福利”。但是，如果采用新材料和新器件模型，集成電路集成度是否還能繼續沿摩爾定律增長，還有待今后的實踐檢驗。

集成電路對生態體系依賴度增大，需要軟硬件協同發展。例如，CPU的競爭絕不僅是CPU芯片本身的競爭，而更多體現在生態系統的競爭上。如Intel的CPU與Microsoft的操作系統構建了穩固的Wintel產業發展環境，ARM公司也與Google公司在移動終端領域構建了ARM-Android體系[5]。

信息產業最開始是由硬件（集成電路）技術驅動的，隨著集成電路加工技術的進步，單一芯片的集成度越來越高，集成電路的工作速度越來越快，存儲器的容量越來越大，承載在集成電路上的軟件就可以越來越豐富，軟件的功能也就越來越強大，應用軟件的種類也就越來越多。CPU主頻、DRAM存儲容量與Windows操作系統所占空間的關系如圖1.15所示。

當前，集成電路的容量和速度已經能夠滿足幾乎任何軟件的需求，在這種情況下，信息產業由軟件驅動的趨勢開始顯現，即根據不同操作系統開發適用該軟件的硬件。移動通信就是最好的例證。目前在市場中占主流的操作系統是安卓和iOS，所有的硬件解決方案要依據這兩個操作系統來開發。開發者可以使用不同廠家的操作系統，但需要使用能夠運行上述系統的嵌入式CPU、接收與發射芯片、人機界面芯片來制造不同用途、不同功能、不同型號的手機。這就是軟件定義系統，軟件系統決定了集成電路的設計與生產。軟件驅動信息產業的趨勢如圖1.16所示。

TI首席科學家Gene Frantz認為：大部分創新是在基于硬件基礎上的軟件創新。硬件將成為創新設計人員思路拓展平臺的一部分[6]。

因此，在軟件驅動信息產業發展的趨勢下，作為戰略布局的重要組成部分，應對相應的軟件學科研究做出符合市場需求的協同部署。

在后摩爾時代，集成電路科學技術將向四個方向發展：其一是“More Moore”（延續摩爾），經典CMOS將走向非經典CMOS，半節距繼續按比例縮小，并采用薄柵、多柵和圍柵等非經典器件結構；其二是“More Than Moore”（擴展摩爾），將不同工藝、不同用途的元器件，如數字電路、模擬器件、射頻器件、無源元件、高壓器件、功率器件、傳感器件、MEMS/NEMS乃至生物芯片等采用封裝工藝集成，與非經典CMOS器件結合形成新的微納系統SoC或SiP；其三是“Beyond Moore”（超越摩爾），即組成集成電路的基本單元是采用自組裝式構成的量子器件、自旋器件、磁通量器件、碳納米管或納米線器件；其四是“Much Moore”（豐富摩爾），隨著微納電子學、物理學、數學、化學、生物學、計算機技術等學科和技術的高度交叉、融合，原本基于單一學科的技術有了新的突破，不久的將來有可能建立全新形態的信息技術學科及其產業，微納電子學科發展前瞻如圖1.17所示。

后摩爾時代電路系統的主要標識是性能/功耗比。2005年，Intel的CEO保羅·歐德寧提出了“每瓦性能比”的概念之后，人們除了比較重要的性能以外，還要比較每瓦功耗的性能。

新器件結構有超薄體SOI MOS器件，以及FinFET、平面雙柵、垂直雙柵、三柵、Ω柵和圍柵器件等。

納電子器件有碳納米管器件、納米線器件、量子器件、單電子器件、自旋器件和共振隧穿器件等。石墨烯器件也是正研究的碳基器件，當前存儲器的研究正向非電荷存儲器的方向發展，主要研發的熱點有鐵電存儲器（Ferroelectric Ran-dom Access Memory，FeRAM）、磁阻存儲器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、相變存儲器（Phase Change Memory，PCM）、金屬氧化物阻變存儲器（MO_x-Resistive Random Access Memory，MO_x-RRAM）、聚合物阻變存儲器（Polymer RRAM）、聚合物鐵電存儲器（Polymer FeRAM）、碳納米管（Car-bon Nano-Tube，CNT）存儲器和分子（Molecular）存儲器等。

ITRS在2012年給出的微納電子器件的發展線路圖如圖1.18所示。目前可以確定的技術發展是，在集成電路制造技術的工藝節點方面，2014年達到14nm，2017年達到了11nm。

在新器件的設計方面，主要的研究方向是低功耗設計技術、系統級設計技術以及新型通用處理器平臺技術。在制造工藝方面，主要的研究方向有EUV、計算光刻技術、多電子束直寫技術和納米壓印光刻技術。

封裝技術的發展方向是多功能集成的系統級封裝（SiP），主要的技術方向是3D封裝，包括封裝堆疊、芯片堆疊、硅通孔技術與硅基板技術，從應用領域來看，主要的研究方向有人工智能大腦、深度神經網絡處理器、復合生物信號處理器、量子通信技術、全息眼鏡、自動輔助駕駛、大規模分布式電子商務處理平臺和工控安全平臺等。