1.1.4 摩尔定律的终结或超摩尔时代
沿着摩尔预测的集成电路发展路径，集成电路加工线宽逐渐减小，2015年最小线宽已经达到7nm，进入介观物理学的范畴。如果继续单纯地缩小沟道宽度，将受到以下三个方面的制约。
（1）物理制约
一方面介观尺度的材料含有一定量粒子，无法仅用薛定谔方程求解；另一方面，其粒子数又没有多到可以忽略统计涨落的程度。这就使得集成电路技术的进一步发展遇到很多物理障碍，如费米钉扎、库伦阻塞、量子隧穿、杂质涨落、自旋输运等，需用介观物理和基于量子化的处理方法来解决。
（2）功耗制约
提高器件性能（以时钟频率为代表参数）与降低功耗之间的矛盾如图1.13所示。
图1.13 提高时钟频率与降低功耗之间的矛盾[4]
随着技术节点的推进，器件的时钟频率以20%的幅度提高，但器件的功率密度也大幅度增加。如果将功率密度保持在40 W/cm2，则最高时钟频率将无法提高，甚至在采用14nm的技术节点之后，其时钟频率反而有所下降。
（3）经济制约
图1.14表明，90nm技术节点的每百万门成本为0.0636美元，其后，65nm、40nm至28nm的成本一直呈下降趋势；但是，在进入20nm技术节点后，每百万门的成本将不再按摩尔定律下降，反而有所上升。也就是说，今后在更高速度、更低功耗和更低成本这三者中，如果以成本作为主要指标，则性能与功耗很难再有较大的改善；反之，芯片厂商和用户若以性能和功耗为主要诉求，则必须付出相应的代价，而不再享受摩尔定律带来的成本降低的“福利”。但是，如果采用新材料和新器件模型，集成电路集成度是否还能继续沿摩尔定律增长，还有待今后的实践检验。
图1.14 集成电路技术节点与加工成本
集成电路对生态体系依赖度增大，需要软硬件协同发展。例如，CPU的竞争绝不仅是CPU芯片本身的竞争，而更多体现在生态系统的竞争上。如Intel的CPU与Microsoft的操作系统构建了稳固的Wintel产业发展环境，ARM公司也与Google公司在移动终端领域构建了ARM-Android体系[5]。
信息产业最开始是由硬件（集成电路）技术驱动的，随着集成电路加工技术的进步，单一芯片的集成度越来越高，集成电路的工作速度越来越快，存储器的容量越来越大，承载在集成电路上的软件就可以越来越丰富，软件的功能也就越来越强大，应用软件的种类也就越来越多。CPU主频、DRAM存储容量与Windows操作系统所占空间的关系如图1.15所示。
当前，集成电路的容量和速度已经能够满足几乎任何软件的需求，在这种情况下，信息产业由软件驱动的趋势开始显现，即根据不同操作系统开发适用该软件的硬件。移动通信就是最好的例证。目前在市场中占主流的操作系统是安卓和iOS，所有的硬件解决方案要依据这两个操作系统来开发。开发者可以使用不同厂家的操作系统，但需要使用能够运行上述系统的嵌入式CPU、接收与发射芯片、人机界面芯片来制造不同用途、不同功能、不同型号的手机。这就是软件定义系统，软件系统决定了集成电路的设计与生产。软件驱动信息产业的趋势如图1.16所示。
TI首席科学家Gene Frantz认为：大部分创新是在基于硬件基础上的软件创新。硬件将成为创新设计人员思路拓展平台的一部分[6]。
图1.15 CPU主频、DRAM存储容量与Windows操作系统所占空间的关系
因此，在软件驱动信息产业发展的趋势下，作为战略布局的重要组成部分，应对相应的软件学科研究做出符合市场需求的协同部署。
在后摩尔时代，集成电路科学技术将向四个方向发展：其一是“More Moore”（延续摩尔），经典CMOS将走向非经典CMOS，半节距继续按比例缩小，并采用薄栅、多栅和围栅等非经典器件结构；其二是“More Than Moore”（扩展摩尔），将不同工艺、不同用途的元器件，如数字电路、模拟器件、射频器件、无源元件、高压器件、功率器件、传感器件、MEMS/NEMS乃至生物芯片等采用封装工艺集成，与非经典CMOS器件结合形成新的微纳系统SoC或SiP；其三是“Beyond Moore”（超越摩尔），即组成集成电路的基本单元是采用自组装式构成的量子器件、自旋器件、磁通量器件、碳纳米管或纳米线器件；其四是“Much Moore”（丰富摩尔），随着微纳电子学、物理学、数学、化学、生物学、计算机技术等学科和技术的高度交叉、融合，原本基于单一学科的技术有了新的突破，不久的将来有可能建立全新形态的信息技术学科及其产业，微纳电子学科发展前瞻如图1.17所示。
图1.16 软件驱动信息产业的趋势
后摩尔时代电路系统的主要标识是性能/功耗比。2005年，Intel的CEO保罗·欧德宁提出了“每瓦性能比”的概念之后，人们除了比较重要的性能以外，还要比较每瓦功耗的性能。
图1.17 微纳电子学科发展前瞻
新器件结构有超薄体SOI MOS器件，以及FinFET、平面双栅、垂直双栅、三栅、Ω栅和围栅器件等。
纳电子器件有碳纳米管器件、纳米线器件、量子器件、单电子器件、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，当前存储器的研究正向非电荷存储器的方向发展，主要研发的热点有铁电存储器（Ferroelectric Ran-dom Access Memory，FeRAM）、磁阻存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、金属氧化物阻变存储器（MOx-Resistive Random Access Memory，MOx-RRAM）、聚合物阻变存储器（Polymer RRAM）、聚合物铁电存储器（Polymer FeRAM）、碳纳米管（Car-bon Nano-Tube，CNT）存储器和分子（Molecular）存储器等。
ITRS在2012年给出的微纳电子器件的发展线路图如图1.18所示。目前可以确定的技术发展是，在集成电路制造技术的工艺节点方面，2014年达到14nm，2017年达到了11nm。
图1.18 微纳电子器件的发展线路图
在新器件的设计方面，主要的研究方向是低功耗设计技术、系统级设计技术以及新型通用处理器平台技术。在制造工艺方面，主要的研究方向有EUV、计算光刻技术、多电子束直写技术和纳米压印光刻技术。
封装技术的发展方向是多功能集成的系统级封装（SiP），主要的技术方向是3D封装，包括封装堆叠、芯片堆叠、硅通孔技术与硅基板技术，从应用领域来看，主要的研究方向有人工智能大脑、深度神经网络处理器、复合生物信号处理器、量子通信技术、全息眼镜、自动辅助驾驶、大规模分布式电子商务处理平台和工控安全平台等。