半導(dǎo)體技術(shù)的世代交替，誰(shuí)將會(huì)主宰后摩爾時(shí)代的技術(shù)走向？

半導(dǎo)體的黃金時(shí)代全面開(kāi)啟，摩爾定律成為行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)的衡量指標(biāo)

半導(dǎo)體集成電路是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基石。1947年12月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出世界上第一只鍺晶體管，結(jié)束了笨重的電子管時(shí)代。60年代以后，硅晶體管開(kāi)始全面取代鍺晶體管，從此半導(dǎo)體的黃金時(shí)代全面開(kāi)啟。

1965年，英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾發(fā)布了集成電路行業(yè)最知名的定律：“每隔18個(gè)月，同樣面積內(nèi)晶體管數(shù)量翻倍，但是價(jià)格不變。”這就是后來(lái)被稱為“集成電路的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)”的摩爾定律。60多年來(lái)，晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)得益于制程工藝的創(chuàng)新，與摩爾定律一直保持著“默契”。芯片沿著摩爾定律不斷微縮，0.5 u、0.35 u、0.25 u、0.18 u、0.13 u、90 nm、65 nm、45 nm、28 nm、14 nm，直到現(xiàn)在的7 nm、5 nm，甚至到主流制程工藝接近2 nm、1 nm，芯片的尺寸越來(lái)越小，性能應(yīng)用越來(lái)越先進(jìn)。例如，在摩爾定律的指導(dǎo)下，英特爾1971年對(duì)外公布了世界第一個(gè)微處理器4004，宣告了“一個(gè)集成電子新紀(jì)元已經(jīng)來(lái)臨”。1974年，又推出了微處理器8080?！?080”被當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)人士稱贊為有史以來(lái)最成功的微處理器之一，也正是從8080開(kāi)始，個(gè)人電腦開(kāi)始在全世界范圍內(nèi)流行起來(lái)……。儼然，摩爾定律已成為半導(dǎo)體企業(yè)保持技術(shù)領(lǐng)先的衡量指標(biāo)：保持摩爾定律企業(yè)就能生存，不能保持摩爾定律企業(yè)就會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰。

摩爾定律正遭遇技術(shù)與成本兩大發(fā)展瓶頸

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、超級(jí)計(jì)算等時(shí)代的到來(lái)，對(duì)半導(dǎo)體材料與器件提出了更高的性能要求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)即將步入亟需轉(zhuǎn)變突破發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。當(dāng)前，硅晶體管隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的迭代縮減，特別是尺寸突破到10 nm以下時(shí)，晶體管性能會(huì)變得很不穩(wěn)定。不過(guò)，摩爾定律總能抓住一些“救命稻草”。在90 nm時(shí)代，應(yīng)變硅技術(shù)問(wèn)世。在45納米時(shí)代，一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22 nm時(shí)代，三柵極晶體管使芯片性能變得更強(qiáng)大。

但隨著特征尺寸越來(lái)越接近宏觀物理和量子物理的邊界，現(xiàn)在高級(jí)工藝制程的研發(fā)越來(lái)越困難，研發(fā)成本也越來(lái)越高，尤其是摩爾定律發(fā)展到特征尺寸5納米節(jié)點(diǎn)以下，繼續(xù)簡(jiǎn)單粗暴地縮小特征尺寸會(huì)變得很困難，并且芯片的成本指數(shù)增加。據(jù)IBS統(tǒng)計(jì)，28 nm芯片的設(shè)計(jì)成本在4000萬(wàn)美元，16 nm芯片設(shè)計(jì)成本約1億美元，而5 nm芯片的設(shè)計(jì)成本更高達(dá)5.4億美元。再繼續(xù)發(fā)展下去，先進(jìn)工藝的投入產(chǎn)出比已難以具備商業(yè)合理性，同時(shí)受制于光刻尺寸及晶圓廠良率，單芯片的面積也很難繼續(xù)延伸，未來(lái)芯片設(shè)計(jì)的成本將直接“勸退”中小廠商，甚至大廠也需要摸一下自己的口袋。這也部分地打破了摩爾定律“投資發(fā)展制程——芯片生產(chǎn)成本降低——用部分利潤(rùn)繼續(xù)投資發(fā)展制程”的邏輯。也就是說(shuō)，傳統(tǒng)的硅基電子技術(shù)臨近生命周期極限，摩爾定律正遭遇技術(shù)與成本兩大發(fā)展瓶頸。

如何延續(xù)摩爾定律？

如何延續(xù)摩爾定律，實(shí)際上不僅是技術(shù)問(wèn)題也是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。鑒于應(yīng)用的多元化與復(fù)雜程度的提高，微電子技術(shù)演進(jìn)不再僅限于半導(dǎo)體CMOS工藝本身，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也在持續(xù)擴(kuò)大。后摩爾時(shí)代電子技術(shù)的核心需求主要分成三個(gè)方向：即more Moore、morethan Moore和beyond Moore或beyond CMOS。這也是后摩爾時(shí)代全球半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的三個(gè)主流路線。目前行業(yè)給出幾種可能的方案：包括大熱門的chiplet/3D封裝，新興器件技術(shù)(自旋器件/量子)和新興架構(gòu)(量子計(jì)算/神經(jīng)形態(tài)計(jì)算)等。

后摩爾時(shí)代三大技術(shù)路線

實(shí)際上，早在2005年，ITRS委員會(huì)首次明確指出：在2020年前后，硅基CMOS技術(shù)將達(dá)到其性能極限。以2020年作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，來(lái)自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究人員都在積極尋找硅的替代技術(shù)。然而，當(dāng)時(shí)可供選擇的名單并不多。

2007年，ITRS委員會(huì)認(rèn)識(shí)到發(fā)展新型納米器件的緊迫性。為了制定更詳盡的半導(dǎo)體技術(shù)路線圖，要求新興研究材料工作組（ERM）和新興研究器件工作組（ERD）推薦一兩種最有前景的新興材料和器件技術(shù)。在對(duì)所有的硅基CMOS替代技術(shù)——包括納電子機(jī)械開(kāi)關(guān)，集體自旋器件，自旋矩轉(zhuǎn)移器件，原子開(kāi)關(guān)，單電子晶體管，碳基納電子學(xué)等進(jìn)行考察、評(píng)估之后，工作組明確推薦碳基納電子學(xué)（包括碳納米管和石墨烯）作為可能在未來(lái)5～10年顯現(xiàn)商業(yè)價(jià)值的下一代電子技術(shù)。

2009年，路線圖委員會(huì)(IRC)支持ERD/ERM工作小組選擇碳基納米電子學(xué)作為需要重點(diǎn)關(guān)注和投資的技術(shù)，用以加速半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

ITRS在2014年正式宣布邁入2.0版，除了將系統(tǒng)整合、異質(zhì)整合概念納入，也將2005年首度提出的“More Moore”(即持續(xù)以工藝微縮延續(xù)摩爾定律生命)、”Moore than Moore”(CMOS工藝之外其他多樣化組件如傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)、光電組件以及生物芯片的技術(shù)發(fā)展)列為討論重點(diǎn)，還有對(duì)”Beyond CMOS”，也就是并非以MOS晶體管為基礎(chǔ)的新組件技術(shù)探索，像是自旋電子與磁性組件。

在2016年，”國(guó)際組件暨系統(tǒng)技術(shù)藍(lán)圖”(International Roadmap for Devices and Systems，IRDS)在IEEE的贊助下啟動(dòng)，并于2017年推出首版IRDS白皮書(shū)。

做為ITRS的后繼，IRDS同樣以15年為一個(gè)時(shí)間跨度，定義通用組件與系統(tǒng)的需求、挑戰(zhàn)、潛在解決方案以及創(chuàng)新機(jī)會(huì)，原則上是每?jī)赡旮乱话?或依據(jù)實(shí)際情況也可能每年更新)。如同IEEE在IRDS官網(wǎng)所明示，技術(shù)藍(lán)圖從ITRS到IRDS的轉(zhuǎn)變與演進(jìn)，代表將技術(shù)發(fā)展焦點(diǎn)更集中于系統(tǒng)，并且關(guān)注跳脫傳統(tǒng)組件、電路、邏輯閘、功能區(qū)塊與系統(tǒng)典范的架構(gòu)與應(yīng)用。目前IRDS已經(jīng)更新至2020年版，共有13個(gè)IFT，分別為：（1）應(yīng)用基準(zhǔn)(Application Benchmarking，AB)；（2）系統(tǒng)與架構(gòu)(Systems and Architectures，SA)；（3）系統(tǒng)外部鏈接(Outside Systems Connectivity，OSC)；（4）后摩爾定律技術(shù)(More Moore，MM)；（5）超越摩爾定律(More than Moore，MtM)；（6）微影技術(shù)(Lithography，L)；（7）封裝整合(Packaging Integration，PI)；（8）良率提升(Yield Enhancement，YE)；（9）度量(Metrology，M)；（10）工廠整合(Factory Integration，F(xiàn)I)；（11）超越CMOS(Beyond CMOS，BC)；（12）低溫電子與量子信息處理(Cryogenic Electronics and Quantum Information Processing，CEQIP)；（13）環(huán)境、安全、健康與永續(xù)性(Environment, Safety, Health, and Sustainability，ESH/S)。

從IRDS可以看出，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)與未來(lái)方向不僅會(huì)受到IoT、AI、5G等等新興應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)影響，摩爾定律的延續(xù)不再只靠CMOS工藝微縮挑大梁，先進(jìn)封裝技術(shù)為芯片整合帶來(lái)了全新的視野;而業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始著眼于CMOS之外的技術(shù)發(fā)展方向，我們可以期待在將來(lái)出現(xiàn)打破現(xiàn)有規(guī)則與組件結(jié)構(gòu)的顛覆性成果。

我國(guó)同樣也在著重布局。2021年5月14日，國(guó)家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會(huì)議在北京召開(kāi)。此次會(huì)議專題討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。

1、“More Moore”延續(xù)摩爾定律：以晶體管結(jié)構(gòu)變革為特點(diǎn)

所謂“More Moore”，這是一個(gè)延續(xù)CMOS的整體思路方法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“More Moore”，即“延續(xù)摩爾”，是指延續(xù)摩爾定律的發(fā)展思路，縮小集成電路特征尺寸，同時(shí)兼顧性能及功耗。具體而言就是在器件結(jié)構(gòu)、溝道材料、連接導(dǎo)線、高介質(zhì)金屬柵、架構(gòu)系統(tǒng)、制造工藝等等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，沿著摩爾定律一路微縮。在130 nm節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)之前，晶體管遵循著Dennard scaling，其中等效氧化物厚度（EOT）、晶體管柵極長(zhǎng)度（Lg）和晶體管寬度（W）均采用常數(shù)因子進(jìn)行微縮，以便在恒定功率密度下提供延遲改善。英特爾的William M. Holt在2016年的國(guó)際固態(tài)電路年度會(huì)議ISSCC上談到（William M. Holt, ISSCC，Moore’s Law: A Path Going Forward, 2016），在延續(xù)摩爾這一條道路上，對(duì)晶體管的優(yōu)化的重頭在于減小漏電，降低功耗。對(duì)功耗降低的需求驅(qū)動(dòng)著工藝制程的不斷演進(jìn)。

目前，為了維持低電壓下的定標(biāo)，近年來(lái)的定標(biāo)主要集中在提高性能的其他解決方案上，如在溝道中引入應(yīng)變、應(yīng)力助推器、high-κ金屬柵、降低接觸電阻和改善靜電。所有這些都是為了補(bǔ)償柵極驅(qū)動(dòng)損耗的同時(shí)，還滿足高性能移動(dòng)應(yīng)用所需要的低電源電壓。

邏輯技術(shù)（Logic technologies）、基本規(guī)則縮放（Ground rule scaling）、性能助推器（Performance boosters）、性能-功率-尺寸(PPA)縮放（Performance-power-area (PPA) scaling）、3D集成（3D integration）、內(nèi)存技術(shù)（Memory technologies）、DRAM技術(shù)（DRAM technologies）、Flash技術(shù)（Flash technologies）、新興的非易失性內(nèi)存(NVM)技術(shù)（Emerging non-volatile-memory (NVM) technologies）等技術(shù)的突破也是驅(qū)動(dòng)其發(fā)展的重要因素。

其實(shí)，大部分的半導(dǎo)體器件都是數(shù)字邏輯，就需要去支持兩種器件類型的技術(shù)平臺(tái)：（1）高性能邏輯；（2）低功耗/高密度邏輯。該技術(shù)平臺(tái)的關(guān)鍵考慮因素是速度、功耗、密度和成本。More Moore路線圖為MOSFET的持續(xù)擴(kuò)展提供了一個(gè)參考，以保持以更低的功耗和成本改進(jìn)設(shè)備性能的歷史趨勢(shì)。

2、“More than Moore”超越摩爾定律：以先進(jìn)封裝技術(shù)變革為特點(diǎn)

所謂的More than Moore，即“擴(kuò)展摩爾”，是指依靠電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)算法優(yōu)化，同時(shí)通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成（heterogeneous integration），以此提升集成電路性能。也就是說(shuō)，以系統(tǒng)應(yīng)用的概念為出發(fā)點(diǎn)，不執(zhí)著在晶體管的制程點(diǎn)縮小的摩爾定律，而更應(yīng)該將各種技術(shù)進(jìn)行異質(zhì)整合，以先進(jìn)封裝技術(shù)變革為特點(diǎn)。先進(jìn)封裝技術(shù)能進(jìn)一步提高芯片的集成度并且降低芯片制造的成本，同時(shí)暫不涉及到去突破量子隧穿效應(yīng)等物理極限問(wèn)題，已經(jīng)成為超越摩爾定律的關(guān)鍵賽道。

不同于“More Moore”不斷對(duì)晶體管的優(yōu)化，More than Moore是應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的，側(cè)重于實(shí)現(xiàn)多樣化的功能。摩爾定律在數(shù)字世界統(tǒng)治的同時(shí)只是在整個(gè)版圖里占據(jù)一部分位置，在其余的部分里，并不是單純的把晶體管當(dāng)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)0和1。相對(duì)于數(shù)字世界，真實(shí)的物理世界（模擬領(lǐng)域）發(fā)展并沒(méi)有受到很好的關(guān)注。許多模擬應(yīng)用領(lǐng)域，例如射頻器件（RF devices）、電源管理子系統(tǒng)、無(wú)源器件、生物芯片、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS等等，在現(xiàn)今的半導(dǎo)體產(chǎn)品里扮演同樣重要的角色。將上述現(xiàn)成的技術(shù)元素集成進(jìn)基于CMOS的芯片中去，形成一個(gè)異構(gòu)的系統(tǒng)，可以讓系統(tǒng)價(jià)值倍增，讓成本進(jìn)一步優(yōu)化，性能進(jìn)一步提高。這種將現(xiàn)有模擬技術(shù)元素集成進(jìn)CMOS芯片，形成一種異構(gòu)芯片，從而擴(kuò)展CMOS芯片功能范圍的發(fā)展就是More than Moore。

目前，先進(jìn)封裝應(yīng)用不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)在2026年將占到整個(gè)封裝市場(chǎng)的規(guī)模的50%以上。先進(jìn)封裝技術(shù)與傳統(tǒng)封裝技術(shù)通常以是否焊線來(lái)區(qū)分：傳統(tǒng)的封裝技術(shù)通常指先將晶圓切割成單個(gè)芯片，再進(jìn)行封裝的工藝形式，其包括雙排直立式封裝DIP與球格陣列封裝BGA，需要焊接線路；先進(jìn)封裝則包括倒裝（FlipChip）、凸塊（Bumping）、晶圓級(jí)封裝（Wafer-level-package）、2.5D封裝（interposer，RDL等）、3D封裝（TSV）等封裝技術(shù)，其技術(shù)并不需要用到線路焊接的方式。

就連大火的Chiplet實(shí)現(xiàn)的前提也是先進(jìn)封裝。Chiplet也稱芯粒，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)Chiplet模式是在摩爾定律趨緩下的半導(dǎo)體工藝發(fā)展方向之一，是對(duì)原本復(fù)雜的SoC芯片的解構(gòu)，將滿足不同功能芯片裸片通過(guò)Die-to-Die內(nèi)部互連技術(shù)與底層基礎(chǔ)芯片封裝組合的拼搭，在某種意義上也是不同IP的拼搭，像拼接樂(lè)高積木一樣，用封裝技術(shù)整合在一起，最后集成為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片，借此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)先進(jìn)制程迭代的彎道超車，在提升性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本和高良率。實(shí)際上，Chiplet的出現(xiàn)則是給了整個(gè)行業(yè)一個(gè)新的思路，Chiplet技術(shù)可以將大型7 nm設(shè)計(jì)的成本降低25%，5 nm及以下的制程節(jié)省的成本更多，基于Chiplet架構(gòu)的芯片設(shè)計(jì)理念也逐步成為后摩爾時(shí)代提升芯片性能及算力的共識(shí)。

目前，AMD、臺(tái)積電、英特爾、英偉達(dá)等芯片巨頭近年來(lái)紛紛布局Chiplet，AMD最新幾代產(chǎn)品都極大受益于“SiP+Chiplet”的異構(gòu)系統(tǒng)集成模式，近日蘋(píng)果最新發(fā)布的M1Ultra芯片也通過(guò)定制的UltraFusion封裝架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)的性能和功能水平，包括2.5TB/s的處理器間帶寬。據(jù)Omdia報(bào)告，預(yù)計(jì)到2024年，Chiplet市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)58億美元，2035年則超過(guò)570億美元，將迎來(lái)快速增長(zhǎng)。

然而，Chiplet對(duì)先進(jìn)封裝提出更高要求。在芯片小型化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要添加更多I/O來(lái)與其他芯片接口，裸片尺寸有必要保持較大且留有空白空間，導(dǎo)致部分芯片無(wú)法拆分，芯片尺寸小型化的上限被pad（晶片的管腳）限制，并且單個(gè)晶片上的布線密度和信號(hào)傳輸質(zhì)量遠(yuǎn)高于Chiplet之間，要實(shí)現(xiàn)Chiplet的信號(hào)傳輸，就要求發(fā)展出高密度、大帶寬布線的“先進(jìn)封裝技術(shù)”。

3、“Beyond CMOS”超越摩爾：以半導(dǎo)體材料變革為特點(diǎn)

前面說(shuō)到的延續(xù)摩爾和超越摩爾都是基于Si MOSFET的發(fā)展方向。延續(xù)摩爾繼續(xù)縮小尺寸，但重心轉(zhuǎn)向功耗優(yōu)化。超越摩爾則把重心放在電路設(shè)計(jì)、先進(jìn)封裝和算法優(yōu)化層面。相對(duì)于上述兩個(gè)方向，第三個(gè)IRDS提出的方向就是Beyond CMOS。

因?yàn)?，無(wú)論是透過(guò)”由上而下”或”由下而上”的創(chuàng)新延續(xù)CMOS工藝的微縮，此類技術(shù)仍然會(huì)達(dá)到再難以打破的物理屏障，特別是到了1納米以下節(jié)點(diǎn)，打破現(xiàn)有組件架構(gòu)、工藝與材料”典范”(paradigm)勢(shì)在必行。此外隨著全新運(yùn)算典范，以及大數(shù)據(jù)分析、IoT、AI、自駕車、超大規(guī)模運(yùn)算等等應(yīng)用，帶來(lái)對(duì)電子組件的更高性能與效率需求。這就需要跳脫CMOS工藝另辟蹊徑。

“Beyond CMOS”，即“超越摩爾”，是指使用CMOS以外的新器件提升集成電路性能，這涉及半導(dǎo)體新材料的采用。按照這個(gè)演進(jìn)路線，后摩爾時(shí)代的產(chǎn)業(yè)發(fā)展將同時(shí)擁抱“新制程”、“新架構(gòu)”與“新材料”，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)迭代升級(jí)。

IRDS針對(duì)”超越CMOS”路線列出了五個(gè)關(guān)注項(xiàng)目：（1）新興內(nèi)存組件(emerging memory devices)；（2）新興邏輯與替代性信息處理組件(emerging logic and alternative information processing devices)；（3）新興組件-架構(gòu)互動(dòng)(emerging device-architecture interaction)；（4）支持后摩爾定律應(yīng)用的超越CMOS組件(beyond-CMOS devices for More-than-Moore applications)；（5）新興材料整合(emerging materials integration)。這些項(xiàng)目包含了具備長(zhǎng)期潛力與一定技術(shù)成熟度的新興組件與運(yùn)算架構(gòu)，并為它們定義出進(jìn)一步被產(chǎn)業(yè)采用所需克服的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)(可接受的風(fēng)險(xiǎn))。其中有一部分可通過(guò)異質(zhì)整合拓展現(xiàn)有CMOS平臺(tái)功能性的新技術(shù)，另一部分則是新信息處理典范，例如模擬運(yùn)算、量子運(yùn)算、隨機(jī)運(yùn)算等等激發(fā)的全新組件技術(shù)。

其中，新興內(nèi)存、自旋電子、磁性電子，以及可替代硅的新材料(如碳納米管、納米線、納米薄片、2D材料、超導(dǎo)體……大多數(shù)都是仍在初期階段的前瞻性研究，卻有可能成為未來(lái)主宰電子系統(tǒng)的技術(shù)。這也是延續(xù)自ITRS 2.0的BC小組所關(guān)注的是非CMOS組件技術(shù)的發(fā)展的主流路線。

盡管眾多這類”超越CMOS”的研發(fā)，從走出實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的一段距離需要努力，但目前已經(jīng)有了些突破。

例如，在眾多新型半導(dǎo)體材料中，碳納米管（Carbon-Nanotube，碳管或CNT）由于其獨(dú)特的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)而受到了人們的高度重視。在碳基芯片的研發(fā)中，這場(chǎng)科技追逐戰(zhàn)主要在兩個(gè)世界頂級(jí)名校之間展開(kāi)——北京大學(xué)（聯(lián)合中科院）和麻省理工學(xué)院。在《自然》、《科學(xué)》雜志上出現(xiàn)的多篇碳晶體管的論文也多由這二者發(fā)布。2017年，北京大學(xué)在5nm柵極碳納米管CMOS器件的工作就證明了碳納米管在達(dá)到理論極限時(shí)可以克服短溝道效應(yīng)，這就使其不必使用如硅技術(shù)那樣發(fā)展更復(fù)雜的三維晶體管技術(shù)，例如FinFET，來(lái)降低短溝道效應(yīng)。另外，碳納米管技術(shù)本身是一個(gè)低溫技術(shù)，可以制備三維的芯片。2020年，該團(tuán)隊(duì)登上全球頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·電子學(xué)》，研發(fā)出一種可“抗輻射”的碳納米管晶體管和集成電路、可用于航天航空、核工業(yè)等有較強(qiáng)輻照的特殊應(yīng)用場(chǎng)景。此項(xiàng)研究成果意味著我國(guó)碳基半導(dǎo)體研究成功突破抗輻照這一世界性難題，為研制抗輻照的碳基芯片打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。彭練矛院士也表示，與國(guó)外硅基芯片相比，中國(guó)在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)所采用的國(guó)產(chǎn)碳基芯片速度快，功耗低，至少可節(jié)省三成。

另外，北京大學(xué)、北京石墨烯研究院的劉忠范與孫靖宇教授在對(duì)非金屬基石墨烯晶圓CVD制備的研究上，發(fā)明了一種基于傳熱和氣體流動(dòng)性質(zhì)原理的石墨烯晶圓批量化制備方法，每一批次可以生產(chǎn)出30片4英寸的石墨烯晶圓。中科院上海微系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)8英寸石墨烯晶圓小批量生產(chǎn)……目前，國(guó)內(nèi)石墨烯晶圓生產(chǎn)技術(shù)無(wú)論在石墨烯單晶晶圓的尺寸和質(zhì)量上，均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。可見(jiàn)，中國(guó)在碳基芯片研發(fā)中已具有優(yōu)勢(shì)。

另外，二維材料同樣引起業(yè)界關(guān)注。傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體和二維半導(dǎo)體之間的最大區(qū)別在于它們的幾何形狀。二維半導(dǎo)體要薄得多，只有幾個(gè)原子層厚。這在許多方面都是有利的，因?yàn)槭拱雽?dǎo)體更小的推動(dòng)力不斷增強(qiáng)。將二維材料集成到傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝中可能是芯片行業(yè)歷史上更激進(jìn)的變化之一。雖然在半導(dǎo)體制造中引入任何新材料都會(huì)帶來(lái)痛苦和痛苦，但過(guò)渡金屬二硫化物 (TMD：transition metal dichalcogenides)支持各種新的器件概念，包括BEOL晶體管和單晶體管邏輯柵極。新的背柵(back-gate）和分柵（split-gate）晶體管已經(jīng)顯示出二維設(shè)計(jì)的前景。

例如，廈門大學(xué)洪文晶教授課題組發(fā)展了基于π-π相互作用的原子級(jí)精度全碳電子器件構(gòu)筑策略，為制造超分子電子器件，推動(dòng)電子器件小型化，及在分子水平理解分子間電子輸運(yùn)過(guò)程提供了一種新的研究途徑。

新竹陽(yáng)明交通大學(xué)電子物理系教授張文豪以及臺(tái)積電(TSMC)研發(fā)人員，在2020年曾共同發(fā)表在單原子厚度二維材料(2D material)的研發(fā)成果，實(shí)現(xiàn)以大面積晶圓尺寸生長(zhǎng)單晶氮化硼(h-BN)的技術(shù)，會(huì)是未來(lái)CMOS工藝走向終結(jié)之后，搭配石墨烯、二硫化鉬(MoS2)等硅替代材料作為絕緣層的理想選擇。

中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)化學(xué)系教授陳俊顯與臺(tái)東大學(xué)應(yīng)用科學(xué)系教授陳以文，發(fā)表了在單分子電子學(xué)(Single-molecule Electronics)領(lǐng)域的最新研發(fā)成果，提出采用雙金屬電極(bimetallic electrodes)的架構(gòu)，相較于采用單一金屬元素的電極，電極表面與分子之間的能階匹配效果提升了30%~80%;這為未來(lái)實(shí)現(xiàn)單分子電子組件的理想邁進(jìn)了一步。
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目前，針對(duì)CMOS工藝的微縮技術(shù)的創(chuàng)新和延續(xù)，業(yè)界做了大量努力，但業(yè)界期望最大的還是材料的突破，就像當(dāng)年的硅材料橫空出世改變世界一樣。這恰恰也是我國(guó)的機(jī)遇。相比“新制程”、“新架構(gòu)”而言，中國(guó)在半導(dǎo)體新材料領(lǐng)域追趕主流、保持齊頭并進(jìn)，存在更大可能性。后摩爾時(shí)代，碳基半導(dǎo)體、二維半導(dǎo)體、第三、四代半導(dǎo)體或?qū)⒊蔀槲覈?guó)重塑全球集成電路產(chǎn)業(yè)格局的關(guān)鍵機(jī)會(huì)點(diǎn)。產(chǎn)學(xué)合作的研發(fā)成果，或許會(huì)成為加速讓這些新興技術(shù)邁入商業(yè)化階段的關(guān)鍵。不同代際的半導(dǎo)體材料，也將實(shí)現(xiàn)了技術(shù)與應(yīng)用互補(bǔ)。半導(dǎo)體技術(shù)的世代交替已經(jīng)隱隱在望，那么誰(shuí)將會(huì)主宰后摩爾時(shí)代的技術(shù)走向呢？我們將拭目以待！