解读"后摩尔定律" 探索IC发展方向

      摩尔定律在自1965年发明以来的45年中，一直引领着世界半导体产业向实现更低的成本、更大的市场、更高的经济效益前进。然而，随着半导体技术逐渐逼近硅工艺尺寸极限，摩尔定律原导出的“IC的集成度约每隔18个月翻一倍，而性能也将提升一倍”的规律将不再适用。为此，国际半导体技术路线图组织(ITRS)在2005年的技术路线图中，即提出了“后摩尔定律”的概念。近年的技术路线图更清晰地展现了这种摩尔定律与“后摩尔定律”相结合的发展趋势，并认为“后摩尔定律”在应用中的比重会越来越大。

后摩尔定律是摩尔定律的生命延续

      ITRS组织针对半导体产业近期(2007～2015年)和远期(2016～2022年)的挑战，在技术路线制定上，提出选择两种发展方式：一是，继续沿着摩尔定律按比例缩小的方向前进，专注于硅基CMOS技术；二是，按“后摩尔定律”的多重技术创新应用向前发展，即在产品多功能化(功耗、带宽等)需求下，将硅基CMOS和非硅基等技术相结合，以提供完整的解决方案来应对和满足层出不穷的新市场发展。其中，“后摩尔定律”技术被业界认为，其在IC产品创新开发中的比重将越来越凸显(如图1所示)。

      “后摩尔定律”的实质是，它除了会延续摩尔定律对集成度、性能的追求外，还会利用更多的技术，例如模拟/射频、高压功率电源、MEMS传感器、生物芯片技术及系统级封装(SiP)等三维(3D)集成技术，以提供具有更高附加价值的系统。

      “后摩尔定律”对半导体技术产业化发展具有强大的推动力。它一方面使半导体技术从过去投入巨额资金追随工艺节点的推进，转到投资市场应用及其解决方案上来；同时，从过去看重系统中的微处理器和存储器技术的发展趋势，转向封装技术、混合信号技术等综合技术创新；从过去的半导体公司与客户、供应商之间的一般买卖关系，转向建立紧密的战略联盟，形成大生态系统的关系；尤其是，3D集成技术中的硅直通孔(Through-Silicon Via，TSV)封装技术，有可能引发世界半导体技术发展方式的根本性改变。

      “后摩尔定律”对全球IC创新应用具有重要作用。今天，人们需要高速度、高性能和大容量，还需要节能、环保、舒适以及安全性和低成本。这些新变化、新需求在很大程度上将依赖于后摩尔定律相关技术的作用。因为它们涉及的系统集成产品，将出现许多异构和异质器件的多重技术结合；单纯以SoC方式或难以实现，或成本效益不足；而“后摩尔定律”揭示的采用如SiP等3D技术、混合信号半导体技术、MEMS技术和生物技术与CMOS逻辑技术相融合，不仅提供一个完整的低成本微系统，而且将为全球半导体产业指明一条继续前进的光明大道。

“后摩尔定律”与摩尔定律结合 推动产业可持续发展

      应该看到，在当今摩尔定律的演进中，基于摩尔定律与“后摩尔定律”的结合，它们的创新将使世界半导体技术及其应用日益呈现出多元化和综合化，将极大地推动着世界半导体产业的可持续发展。

      在半导体技术发展方面。如图2所示，在一个高度集成的智能化微系统中，处理器、存储器和逻辑电路是属摩尔定律的范畴，而集成的无线电、电源管理、传感器等模块是属“后摩尔定律”的范畴。

      其中，在摩尔定律的范畴，ITRS指出，2010年的技术节点是45纳米，2013年为32纳米，到2015年将进一步缩小为25纳米，2016年为22纳米；估计到2018年将会接近硅CMOS技术的极限。其内容包括设计方法、系统级设计、逻辑电路和物理设计、设计验证、可测试设计、可制造设计等6个领域。另外，在新的工艺和新材料方面将来也会取得突破性进展，如沟道替换、绝缘体上硅等新技术，包括除高K金属栅材料外的其他新材料等。至于未来元器件类型的新结构，ITRS虽增加了新型元器件的章节，但仅停留在探索层面上，还没有制定路线图。

      在“后摩尔定律”范畴，ITRS指出，在当今的智能化微系统芯片开发中，尤其是，无线电领域新兴应用不断出现，有越来越多采用包括非CMOS的新器件集成的多重技术将会进入3D集成时代。

      3D集成实际上是一种系统级集成结构，其中的TSV技术，是芯片制造与封装技术相融合的集成技术。据市场研究机构Yole Developpement统计，到2013年，59%的3D系统级集成结构，将采用多层平面器件的堆叠形式，并经由穿透硅通孔(TSV)的半导体工艺连接起来；到2015年，3D-TSV晶圆的出货量将达数百万片，并可能对25%的存储器业务产生影响。2015年，除了存储器，3D-TSV晶圆在整个半导体产业的份额也将超过6%。同时，还将促进相关设备和材料的推陈出新，它们的市场规模也将分别在2013年和2015年达到10亿美元。

      图3显示了3D集成技术满足多种需求应用的发展趋势。从中看出，3D集成技术首先将在图像传感器、MEMS器件、生物医学器件及其与逻辑(ASIC)包括3D-SoC/SiP的整合等应用突破，然后将进入诸如信息家电、便携式手持设备、无线移动终端、汽车、医疗、工业自动化、环保和安防系统等半导体各个领域，并不断增长而得到越来越广泛的应用。

      在技术的创新应用方面。ITRS认为，半导体集成电路市场的发展在很大程度上是个人计算机、数字电视和手机受终端及系统应用驱动。目前，在全球“新能源”和“物联网”的兴起及其发展的大趋势下，世界半导体市场呈现着三大发展趋势：一是绿色化，二是无线网络化，三是健康安全化。这更为世界IC产品带来了层出不穷的创新空间，如以云计算为标志的高性能的安全计算机和服务器领域，以3G及今后的4G无线宽带网络通信基础设施及相应终端为代表的新一代无线通信领域，以风能、核能和太阳能为标志的新能源领域，以信息传感和控制设备为标志的工业化与信息化融合领域，以电力电子为代表的智能电网及其控制领域，还包括以新能源汽车和医疗电子为代表的领域等。

      这种越来越多终端及系统领域的“应用”驱动趋势，大大促使了摩尔定律与“后摩尔定律”的结合，其中“后摩尔定律”将起着不可替代的作用。应该看到，上述领域，离不开无线电的模拟/射频技术、混合信号半导体技术、高压功率电源技术，以及MEMS传感器、生物芯片技术和3D集成技术；当然也离不开它们与CMOS逻辑技术相融合的发展。

“后摩尔定律”提出和实施是ITRS对技术进步的贡献

      ITRS对全球集成电路产业发展的预测作用，是被业界广泛认同的。其提出的“后摩尔定律”的宗旨，是致力于找到产业持续发展所面临的瓶颈，找到解决方法。其本质是持续创新与不断变革。其主要贡献：

      一是，它不仅营造了全球半导体产业新的增长点，而且在信息技术与通信技术相融合的领域，具有培育起新兴战略产业的巨大现实和潜在驱动力。

      二是，它为如中国为代表的发展中国家，在新兴市场中应对挑战、持续推进本国半导体产业、建立自主可控的创新体系指明了一条产品多功能化、以成本为推动力的高效路径。总之，“后摩尔定律”告知世界，全球半导体行业是一个充满了活力和创造力的行业，摩尔定律揭示的创新精神，将不断地推动行业持续创新。