超越摩尔：致敬并超越电子电路先驱所做的创新

超越摩尔（More than Moore，MtM）的概念是在2005年的国际半导体路线图中提出来的，目的是描述按照摩尔定律，芯片不再适合小型化发展趋势下的技术特征。这些技术突出了非数字化功能，比如无线通讯、功率管理、敏感检测和执行，即将这些新功能集成到片上系统（System-on-Chip，SoC）或系统级封装（System-in-Package，SiP）中。片上系统是将多种功能集成到一个芯片中，而系统级封装却是将多个芯片集成到一个封装模块中（不是在PCB板上）。而2015年的半导体路线图中又将异质集成（Heterogeneous integration）提出来，即将不同制造方法制作出来的元件集成到一起，旨在增强功能。因此，需要一套新的物理参数和优化指标来表征正在显现的技术。

如果只按照晶体管不断缩小的方式走下去，必将受制于物理定律，我们终究要走进一个死胡同。人类的智慧在于不断发现新的方法和途径。据报道，NEC公司于2002年制作了门长只有6mm的晶体管。比如从目前的鳍式FET，将要发展到以纳米线、纳米管为电子输运通道的晶体管，在二维和三维方向也不断扩展，晶体管的制造将发生本质的变化。

为了提高IC的密度和功能，IC技术的发展从平面技术扩展到三维技术，从单芯片扩展到多芯片模块（MCM）方式。为了降低功耗和散热，提高计算机的运行速度，芯片从单核发展到多核，也从单功能发展到多功能等。但问题随之出现了，比如由多芯片模块构成的系统，片间互连距离陡增，极大地破坏了系统的性能。90年代中期片上系统的到来就是为了解决离片互连所带来的延迟问题。将所有组件全部集成到单一衬底上将极大提高系统的速度，同时降低功耗。系统级封装是另一种通过将多个芯片堆垛的方式并通过引线键合的解决方案。此外，基于硅通孔（TSV）的三维集成技术也是目前人们关注的一个集成方案。多层结构、金属互连、转接板和硅通孔等方法和技术成为研究的一个切入点，这对系统集成提出了更高的要求。比如，在65nm技术中，晶体管的门长减小到35nm，氧化层厚度为18nm，有8层金属铜互连。

摩尔之外还有什么呢？还有更加丰富多彩的世界，基于硅的微机电系统（MEMS）展露了它前所未有的生机和活力。还有微机电系统、传感器、光电二极管、功率器件、三维封装和异质集成方案等。

在制造工艺上，光刻方法加工的线条不可能无休止地缩小下去。一种解决途径是寻找和利用新的沟道材料和器件，如碳纳米管和纳米线，以及上述三维的制造方式等。图7是一个典型的包含多个“摩尔”和“超越摩尔”的微系统，数据处理与存储属于摩尔范畴，而新型传感器、射频乃至能源管理都成为超越摩尔之中要考虑的内容。除了热问题之外，能源问题是超越摩尔系统所要解决的一个突出问题。曾经的计算只局限于台式机和超级计算机，而今计算已经步入移动时代，智能手机要利用WiFi和GPS，网络不断地、长时间地和周边以及其他用户通讯工作，要与各种传感器，比如触摸屏、磁传感器、加速度传感器进行交互作用，计算量很大，需要消耗的能量也很大。