第一，最直接的就是继续提升主要粮食的单位面积产量，这对应于提高芯片中晶体管的密度，这被称为“延续摩尔”（More Moore）。

　　第二，是扩展其他粮食种类，提高丰富程度，这意味着除了CPU、内存等数字芯片之外，还要大力拓展模拟、射频、电源、显示、柔性芯片等的用途，以及通过3D芯片将各种功能集成在一起，这叫作“扩展摩尔”（More thanMoore）。

　　第三，也是最长远的，是开发全新的粮食品种，这对应于探索MOS场效晶体管以外的新型晶体管，例如碳纳米管场效晶体管（简称CNTFET或CNFET）、阻变式存储器（简称RRAM）、相变随机存取存储器（简称PCRAM）、隧穿场效晶体管（简称TFET）等，这条路径叫作“超越摩尔”（Beyond Moore）。

　　当工艺节点从5纳米进到3纳米和2纳米时，FinFET遇到了一个老问题，晶体管无法有效关断，漏电流飙升导致发热严重。尽管FinFET已经变成了立体结构，可通过凸起的三个侧面去关断导电沟道，但仍无法完全关断。

　　2003年，研究人员提出了更大胆的“纳米线”（Nano-wire）结构。在这种结构中，晶体管的导电沟道变成纳米粗细的一根“线”，完全被一个环形的“栅”给全方位地环绕，就好像一只“手”握着橡皮水管。在“手”上施加电压，能更好地关闭晶体管，减小漏电流。

　　虽然这种结构解决了晶体管关断的问题，但也对晶体管开启后通过的电流大小造成了影响：细细的纳米线对电流的阻碍作用极大。

　　为此，2006年法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）的研究人员提出纳米片（Nano-sheet）结构。这类晶体管又叫GAAFET（见图14-3）。在这种结构中，连接晶体管开关两侧的不再是细细的“线”，而是薄而宽的“片”，这样全包围的结构更利于关断晶体管，而多个薄而宽的片又提升了导电能力。2017年，IBM公司展示了这种堆叠的纳米片晶体管。2021年5月，IBM公司采用纳米片成功突破2纳米技术节点，在一个指甲盖大小的芯片上集成了500亿个晶体管。

　　IRDS预测围栅晶体管将用于3纳米、2纳米及以下的技术节点。三星公司准备在3纳米技术节点时切入围栅晶体管，而台积电公司准备在2纳米技术节点时迁移过来。

　　在随后的1纳米和0.7纳米技术节点，单个晶体管的尺寸将再一次面对挑战。IRDS预测那时业界将把水平放置的围栅晶体管竖立起来，以进一步减小“占地面积”。再进一步，业界还可能将围栅晶体管堆叠起来，做成3D结构。芯片将通过堆叠的方式继续向上“生长”，就像一层层的空中花园，以便继续提高单位面积可以容纳的晶体管的数量。

　　制造晶体管的最大瓶颈仍然是光刻机。光源为193纳米的浸没式光刻机可以加工的最小栅间距约为34纳米。要知道，193纳米的紫外光（经过水折射后变成134纳米）本身无法用来加工这么小的尺寸，它需要经过多次曝光，分次加工线条的不同边缘，才能达到所需的精度。

　　然而，加工尺寸越小，紫外光进行多重曝光所需的掩膜版数量也就越多，到了7纳米技术节点就需要几十层掩膜版。掩膜版越多，加工步骤越多，所花费的成本和时间也就越多。10纳米工艺制造的晶圆比14纳米工艺制造的晶圆贵了32%，而在7纳米的技术节点又比10纳米贵了14%。如果到5纳米技术节点时再不采用下一代EUV光刻机，光刻所需的步骤将达到100多步。

　　EUV光刻机（见图14-4）的光源波长是13.5纳米，仅为浸没式光刻机的1/10，是解决这一问题的希望。然而，EUV光刻机的问世时间却一次次地推迟。早在1994年，半导体业界的几家公司就联合起来启动了EUV光刻机的工业化进程。阿斯麦尔公司于2006年交付了一台光刻胶的扫描样机，但之后却卡在了激光光源这一障碍上，波长13.5纳米的EUV光太难产生了。

　　直到2011年，美国加州的西盟半导体设备公司（Cymer）提出了一种产生极紫外激光的方法。阿斯麦尔公司的一位光刻专家阿尔贝托·皮拉提（Alberto Pirati）评论说：“我第一次听到这个主意的时候，觉得它很疯狂。”这个主意是将金属锡高温熔化，把极其细微的液滴均匀地喷洒在一个空腔里，然后用大功率二氧化碳激光器发出一束强光，以每秒5万次的频闪照射这些液滴，并将其转变为类似太阳中的等离子体，从而激发出13.5纳米的EUV。

　　然而，这种方法的效率却异常低下，激光器需要20千瓦功率的输入（可为100台冰箱供电），却只能得到11瓦（相当于一盏LED台灯的功率）输出，远小于光刻所需的250瓦，其余99.945%的能量都变成热量耗散掉了。

　　不得已，西盟半导体设备公司找到了一个变通方法：用一束低功率的先导激光照射滴液颗粒，将其“压扁”成薄饼形状，增大受光面积，接着再用高功率激光照射，以激发出更多的EUV光。2013年，输出的光源功率提高到了55瓦，2016年达到了200瓦。2018年终于达到了实际工作所需的250瓦。

　　尽管EUV光源有了，但新的问题又冒了出来。EUV光无法在空气中传播，因为这么短波长的光会被空气吸收掉。为此，机器内部的光传播路径和晶圆加工台所在区域要抽真空。

　　更麻烦的是，玻璃透镜也会吸收EUV光，人们不得不放弃使用了几十年的透镜，改用反射镜。然而，普通的反射镜也会吸收EUV光。为此，阿斯麦尔公司发明了一种特殊的镜子，表面交替涂有硅和钼的薄层，每层只有几纳米厚。利用两种材料不同折射系数的布拉格效应，每个交界面处都可以反射一部分EUV光。

　　EUV光在到达晶圆台前要经过12个反射镜，每次反射损失30%，最后只有约1%的光线能照射到晶圆片上。本来250瓦的光源，照到晶圆上只剩下2瓦。

　　如此微弱的光线需要光刻胶极其敏感，但高灵敏度的光刻胶又会引起加工精度的波动……技术难题层出不穷，解决完一个，又冒出一个。

　　经过多次延迟，阿斯麦尔公司最终克服了难以想象的困难，制造出了人类历史上最精密的光刻机，每台成本高达2亿美元。

　　2018年，阿斯麦尔公司开始向客户交付EUV光刻机。每台机器的部件需要4架波音747飞机运送。运抵晶圆厂后，那里会有准备就绪的上百名工程师，他们负责安装和调试。光刻机占地约80平方米，其中激光部分占了20平方米。整个机器像一座冰山，因为大量管道和线米深处，然后才是露出地面的部分。

　　2020年，经过17年的研发，EUV光刻机终于开始用于5纳米节点的工艺制造。它在未来面临着新的挑战。1纳米及以下的技术节点需要更高的分辨率。这时，就需要高“数值孔径”的EUV光刻机，而后者所需的光源功率还要再翻一倍，达到500瓦才行。

　　然而，EUV光刻机很快也将达到极限。IRDS预计，2028年半节距将达到极限的8纳米（此外，尽管X光和电子束的波长比EUV更短，但是由于X光需要占地面积很大且昂贵的同步辐射源，而电子束的串行写入会导致效率低下，被认为不适合大规模芯片制造）。那将会是“悬崖边缘”，再往前就是量子力学的不确定性统治的世界了。当光刻精度达到极限后，晶体管尺寸将无法继续缩减。

　　唯一有可能继续增加晶体管密度的方法，就是将多层芯片在垂直方向上堆叠，这就像是将一层平房变成高层楼房，以提高晶体管密度。实际上，在EUV光刻机之前的工艺上，人们制造成本敏感的存储器时就已经开始使用3D堆叠技术，这样就无须采用最先进的光刻机，也能很好地控制成本。目前，存储器已经实现了数百层的堆叠。

　　除了以上困难，CPU性能提升也变得越来越缓慢。20世纪90年代，CPU性能每年可以提升52%，到了21世纪前十年每年只能提升23%，从2011到2015年，这个数值又下降了近一半，只有12.5%，而在2015年到2018年几乎停滞，只有3.5%。

　　而且，CPU和存储器之间的“内存墙”也越来越难以逾越。冯·诺伊曼计算机要先从内存中调取数据，再送入CPU中计算。但是，CPU处理能力显著提高后，计算机从内存调取数据的速度并没有等比例提高，于是CPU和内存之间就形成了通道瓶颈。

　　CPU很快将“腹”中的数据“消化完毕”，而新的数据却迟迟不能从内存“喂”过来，CPU不得不处于“饥饿”状态。据估计，计算机从内存将数据搬运过来的时间比CPU处理时间至少长10倍，CPU只能将宝贵的时间和资源浪费在等待上。

　　造成CPU和内存之间存在“高墙”的原因有多方面，其中之一是CPU和内存的距离，它们位于不同的芯片，容易造成信号延迟。为了缩短这段距离，人们提出将CPU与内存封装在同一颗芯片内，分别放置在不同层，然后堆叠成一颗三维芯片，层与层之间通过硅通孔相连，以缩短信号传输距离。然而，即使CPU和内存在同一颗芯片内的不同部分，互连线上的时延也越来越严重。

　　彻底解决“内存墙”问题的方法是改变CPU从内存中调取数据的方式，不再以计算单元为中心，而改为以存储为中心，发展计算、存储一体的“存内计算”。这种全新的计算机架构有可能改变“80岁高龄”的冯·诺伊曼计算机架构的统治地位。

　　随着“延续摩尔”遇到的障碍越来越大，人们开始寻找其他解决路径。2005年，ITRS提出了“扩展摩尔”的概念。这条路径追求的不是缩小单个晶体管的尺寸，而是增加系统功能的多样性，在一个芯片上集成和实现丰富的功能。

　　这条路径关注的不是CPU和存储器这些需要最先进工艺的数字芯片，而是模拟、功率、传感以及数模混合芯片，它们不需要最小的晶体管，但能实现丰富的应用场景。

　　“扩展摩尔”根据顶层的应用与需求来拉动技术的发展，其中一个最大的需求就是物联网。过去几十年中，个人电脑和手机先后普及，但数量已经趋近饱和，将来的数量至多再提高3倍。而未来的物联网设备，包括智能家居、健康监测、自动驾驶汽车、环境监测等，还会增加3个数量级，构成一个无处不在的物联网世界。例如，自动驾驶汽车里需要激光测距雷达、传感器、加速度计等多种传感器；医疗领域需要可穿戴式的生理信号监测设备，以及为了抑制癫痫发作的植入式传感器和电流刺激芯片等；环境监测领域需要能探测各种二氧化碳、硫化物等污染物的传感器芯片。这些传感器需要跟CPU、存储器等集成在一起，从而实现丰富的功能。

　　此外，我们也需要高效的电源，想要实现极低的功耗，满足便携或移动设备的要求。我们同样需要用高信噪比的传感器和模拟电路来感知或采集微弱的生理信号、危险气体的浓度等。我们也需要满足各种频段的无线射频电路，实现更多样的无线连接。

　　另外一个有“扩展摩尔”需求的是能源领域。与硅相比，氮化镓和碳化硅等半导体材料的性能更优异，用它们制成的功率器件可以在相同的耐受电压下提供更高的开关频率，或者在相同的耐受电压和开关频率下有更低的导通和开关损耗。

　　此外，人们也将对能量收集技术产生极大的需求，因为许多传感器安置在露天环境中，没有市电供电，也不方便更换电池。而能量收集的途径可以是机械振动、冷热温差或者无线电波、光线等，这将大大地延长芯片的工作时长。

　　最。