摩尔定律何去何从
来源：矽说公众号 SiliconTalks，作者：薛矽，李一雷
一、摩尔定律从哪里来？摩尔定律到极限了吗？
50年前，Gordon Moore提出了集成电路特征尺寸随时间按照指数规律缩小的法则，被称为“摩尔定律”。在50年间，半导体行业蓬勃发展，人类社会飞速进入信息时代，同时在半导体工业界也诞生了一大批巨无霸企业，比如Intel和Qualcomm等等。近来，随着半导体制程特征尺寸缩小越来越困难，摩尔定律是否已经到达极限成为半导体业界乃至整个社会所关注的问题。我们打算在接下来的几篇文章里探讨摩尔定律的源头，现状以及未来。
谁在推动摩尔定律？
从1958年Jack Kilby发明的第一个只包含一个双极性晶体管、三个电阻和一个电容的集成电路到现如今动辄十亿个晶体管的处理器芯片，短短五十几年的时间集成电路产业以历史上前所未有的节奏飞速发展。2014年，半导体生产商共生产制造了250 quintillion（十亿个十亿，十的18次方）个晶体管，也就是说去年一年中，平均每秒生产出8 trillion（万亿）个晶体管。更重要的是作为目前人类最尖端的科技成果之一，各种各样的集成电路不停地升级降价、再升级再降价从而以相对低廉的价格让这项成果为普罗大众所共同享有。这一产业著名的经验法则摩尔定律也因此为大家所熟知。
曾听过一个不恰当的比方：如果汽车工业也是按照半导体产业的玩法，不妨想象一下您可以用多么低廉的价格购买到性能神到飞起的汽车。摩尔定律以平均每年46%的“成长”速率往前推进，而洲际旅行的速度从1900年大型远洋轮船的35公里每小时左右，上升至1958年波音707的885公里每小时，平均涨幅为每年5.6％。但在之后很长一段时间里巡航速度基本上保持不变，波音787只比707快了几个百分点。从1973年到2014年，美国新乘用车（即使在排除SUV和皮卡之后）的燃料转换效率每年仅提升2.5％，从13.5升到37英里每加仑（即油耗从17.4升每百公里降到6.4升每百公里）。
摩尔定律背后的逻辑是：半导体行业需要以一个合适的速度增长以实现利润的最大化。上世纪60年代，摩尔发现半导体晶体管制程发展的速度对于一个半导体厂商至关重要。随着制程的进化，同样的芯片的制造成本会更低，因为单位面积晶体管数量提升导致相同的芯片所需要的面积缩小。所以制程发展速度如果过慢，则意味着芯片制作成本居高不下，导致利润无法扩大。另一方面，如果孤注一掷把所有的资本都用来发展新制程，则风险太大，一旦研发失败公司就完蛋了。摩尔发现当时市场上成功的半导体厂商的制程进化速度大约是每年半导体芯片上集成的晶体管数量翻倍，于是写了著名的论文告诉大家这个发展速度是成本与风险之间一个良好的折中，半导体业以后发展可以按照这个速度来。摩尔定律背后的终极推动力其实是经济因素。时至今日，摩尔定律“投资发展制程-芯片生产成本降低-用部分利润继续投资发展制程”的逻辑对于半导体巨头依然有效。Intel的执行副总Bill Holt在ISSCC 2016的主题演讲中比较了两种情况下的处理器芯片生产成本，一种是十年内每年都利用部分利润根据摩尔定律的速度发展新制程（下图左），另一种是在十年内一直使用相同的旧制程（下图右）。比较的结果是，十年内按照摩尔定律发展新制程所生产的芯片成本与一直使用旧制程生产的芯片成本相比低了六成。所以说推动摩尔定律的是经济学。
芯片成本对比：制程进化（左）或不进化（右）
摩尔定律由经济因素驱动，有意思的是由于晶体管的性能也会随着特征尺寸缩小而改善，所以随着半导体工艺制程的进化芯片的性能也以指数的速度增长，从而带动电子产品性能大跃进式发展，电子市场一片生机勃勃。昨天给家里买电脑选什么奔腾赛扬的感觉还在眼前，今天新买到的手机上就已经是4核8核傻傻分不清楚了，这是多美好的时代啊！然而，在讨论摩尔定律时我们不仅要看到它带来的技术革新，更要记住它的经济学本质。
时至今日，摩尔定律已经不仅仅是一个经验规律，而是成为半导体行业的发展蓝图，或者说是半导体芯片市场商业模型（business model）的重要组成部分。显然，制程进化速度的最优值显然是会随着市场和技术条件而改变的（比如如果有外星人免费提供黑科技那么特征尺寸瞬间变成原来的1/10也没问题），而摩尔在五十年前观察到的“每两年特征尺寸减半”的经验性最优值也并非物理定律不可能永远有效。换句话说，摩尔定律需要有人来不停地维护和修正。那么维护摩尔定律的人有时谁呢？这个维护的人就是ITRS,全称International Templar Research Society中文是国际圣殿骑士研究协会，该协会会在刺客信条最新作中登场… 开个玩笑，ITRS全称是International Technology Roadmap for Semiconductor，是由半导体行业自发组织来讨论合适的制程发展速度。各大半导体制造厂商（比如Intel，TSMC，Samsung等）的核心技术是保密的，但是发展的规划是经由ITRS讨论后决定的，而且该规划是公开在ITRS网站（International Technology Roadmap for Semiconductors）上的。这样做可以更好地指导整个半导体工业界健康地发展。
ITRS网站 International Technology Roadmap for Semiconductors
在摩尔定律提出至今，制程进化的速度已经被修正了两次。最早摩尔1965年在Electronics Magazine上提出的速度是每年晶体管数量翻倍，到了1975年摩尔本人在IEDM（国际电子器件大会）上修正为每两年晶体管数量翻倍。之后每两年翻倍的发展速度维持到大约2013年，之后ITRS将未来蓝图修正为每三年晶体管数量翻倍。
摩尔定律到极限了吗？
在摩尔定律提出的前三十年，新工艺制程的研发并不困难，但随着特征尺寸越来越接近宏观物理和量子物理的边界，现在高级工艺制程的研发越来越困难，研发成本也越来越高。如果工艺制程继续按照摩尔定律所说的以指数级的速度缩小特征尺寸，会遇到两个阻碍，首先是经济学的阻碍，其次是物理学的阻碍。
经济学的阻碍是，随着特征尺寸缩小，芯片的成本上升很快。芯片的成本包括NRE成本（Non-Recurring Engineering，指芯片设计和掩膜制作成本，对于一块芯片而言这些成本是一次性的）和制造成本（即每块芯片制造的成本）。在先进工艺制程，由于工艺的复杂性，NRE成本非常高。例如FinFET工艺往往需要使用double patterning技术，而且金属层数可达15层之多，导致掩膜制作非常昂贵。另外，复杂工艺的设计规则也非常复杂，工程师需要许多时间去学习，这也增加了NRE成本。对于由先进制程制造的芯片，每块芯片的毛利率较使用落后制程制造的芯片要高，但是高昂的NRE成本意味着由先进制程制作的芯片需要更多的销量才能实现真正盈利（如下图所示）。这使得芯片设计和制造所需要的资本越来越高，而无力负担先进工艺制程的中小厂商则不得不继续使用较旧的工艺。这也部分地打破了摩尔定律 “投资发展制程-芯片生产成本降低-用部分利润继续投资发展制程”的逻辑。
新旧工艺的毛利润-销量关系图。新一代工艺的单位销量毛利润和NRE成本（NRE2）都较上一代工艺要高，且新一代工艺的收支相抵所需要的销量(BE2)也比上一代工艺(BE1)要高
至于物理学的障碍主要来源于量子效应和光刻精度。当特征尺寸缩小到10nm的时候，栅氧化层的厚度仅仅只有十个原子那么厚，在那个时候会产生诸多量子效应，导致晶体管的特性难以控制。例如量子隧穿效应会非常严重，导致晶体管漏电非常严重。晶体管的漏电是一个非常严重的问题：移动电子产品在很多时间里会处于待机的状态，而待机功耗是由漏电决定的。漏电高则会造成电池更快耗尽。另一个限制是光刻精度。光刻精度主要由光的波长决定。为了得到更好的光刻精度，我们可以用波长较小的紫外光以及对紫外光敏感的光刻胶，当然这会带来更高的成本。三星总裁在刚刚2015年的ISSCC上发表主题演讲表示：直到5nm不会有根本性困难。那5nm之后怎么办？成本居高不下的问题又该怎么解决？摩尔定律是不是真的要终结了呢？让我们看看半导体业界大佬们的观点。
首先是IEEE Spectrum对摩尔老人家的专访：
Rachel Courtland（IEEE Spectrum副主编）:您在过去曾多次预测摩尔定律的终结，您现在认为它还能持续多久？
Gordon Moore: 恩，我从来没有准确的预测它的终结，我说过我无法看到比下一个世代（的芯片）更远的未来。那儿似乎有一堵穿不透的墙，但这堵墙一直在往后退。我很惊讶于工程师们有如此强大的创造力能够在看起来只能完全停滞的情况下找到新的出路。...我记得一次霍金在硅谷的时候，有人问他怎么看集成电路技术所面临的极限。虽然不是他的研究领域，但他总结了两点：光的有限速度和材料的原子特性。我觉得他是对的。我们已经接近原子极限，而且我们也利用了一切优势来促使速度提升，但是光速会最终限制性能。这些基本的问题目前看来依然没有很好的解决方案，而在接下来的几个世代中我们却将要直面它们。
R.C.: 您是否认为我们对电子类产品的消费习惯会因为摩尔定律的终结而改变？
G.M.:我不觉得会改变太多。只要有新的产品有成长的能力，它们会很快的迫使旧产品更新换代。当我们是在想不出还有什么新的花样可以玩时，人们可能会觉得评不需要每年都换新的，可能一个电子产品可以用四五年。这将会使整个产业的成长明显放缓，但是我认为这样的事发生是不可避免的。
R.C.: 你最初的预测主要是基于芯片上各部分的成本会不断下降的这样一个想法。所以，这是最终将决定它也是因为这点吗？这是一个经济规律，所以它会有一个经济规律式的消亡？
G.M.:我认为这最终将是一个技术消亡的问题，而不是一个经济问题。当他们不能做得更小的时候，人们仍将在相当长一段时间里继续从产品中压低成本。但我敢肯定，那时就是最终时刻来临的时候了。
R.C.: 我告诉一些人今天将要来采访您，然后我问他们我应该问您什么问题。有些人大笑着说：“你能不能问问他我们怎样才能摆脱这个烂摊子？”因为他们都正挣扎在这些技术难题之中。
G.M.:Whoo. Well, 你总是可以办理退休然后搬到夏威夷来。 （从英特尔退休后，戈登·摩尔通过戈登和贝蒂·摩尔基金会专注于慈善事业。他住在夏威夷的海边。）
G.M.:这是商业的本质。世上没有那么多可以轻轻松松赚钱的生意，有的话（半导体产业，集成电路产业）也肯定不会是其中之一。
以及对超大规模集成电路(VLSI)的祖师爷Carver Mead（同时也是摩尔定律的命名者）的采访：
R.C.: 摩尔定律不是真正的定论，至少不是像我们所定义的物理定律一样，您如何像普通人解释它？
Carver Mead:我总是需要澄清（特别是在早期），这不是一个物理定则。这是一个关于人类行为的规律。为了让事情都像我们半导体技术的发展一样，这需要极大数量的具有创造性且十分努力的聪明的人来实现。他们相信这种努力会造就一个成功的事业否则他们不会付出努力。这种对有可能实现目标的信念最终使得梦想真正得以实现。摩尔定律实际上是关于人们对未来的信念以及他们愿意投入精力促使其发生的意愿。这是一个关于人类（人性，humanity）的了不起的宣言。
R.C.: 当摩尔定律即将终结，会发生什么？
C.M.:我们最不想做的事就是在摩尔定律50周年的当下充斥着一些关于它的即将结束的悲观情绪。事实上，针对晶体管的盲目发展更小的尺寸这条路的确是不会永远持续下去的，但这并不意味着建设更复杂，功能更强大的电子系统的时代即将结束。有很大数目的非常聪明的人们正在一刻不停地挑战并推进极限。比如，有人正试图将光学和电子元件集成在同一芯片上，也就是所谓的硅光子学，而这还只处于起步的阶段。我的经验是，当你觉得在一条学习曲线上感到空气稀薄，在某处总会有一个突破口，但突破口永远不在你正在思考的位置。我们永远无法明了，直到下一个令人激动的BIG thing真正发生。但总会有一个它等在那。
最后是FinFET创始人，UC Berkeley胡正明教授对于摩尔定律的观点：
“我觉得半导体再发展一个世纪都是可以的。常常有些学生和年轻的工程师问我说，我们这个半导体产业将来的前途怎么样，不是摩尔定律要结束了吗？我跟他们说，会继续下去。原因很简单，知道这个原因我想你大概就会同意我的想法。
我们学校里面，又有化学家，又有物理学家，他们都看到了高科技需要半导体，他们也听到了摩尔定律要结束了，所以他们过去十几年都花了很多工夫都在想有什么办法来取代半导体。我有机会跟这些诺贝尔奖级化学教授、物理教授交流，我知道他们在想什么，跟他们谈过很多，我可以说没人能看到有其他任何东西可以取代半导体！但是他们看到很多可以帮半导体前进的东西。
既然不能够取代半导体，剩下来的问题就是半导体给世界的好处，是不是已经走到尽头了，还是说我们这个世界还需要半导体来做更多事情？
我的答案是我们的世界一定还需要更多更多智慧器件，这些智慧器件只有半导体能够在下个世纪给我们的世界，数字革命只是刚刚开始，智慧器件和数字革命，他们的基础都是半导体，既然没有其它的科技能够取代半导体来做数字功能和智慧器件的基础，那么我们这一行应有一百年的远景。 因为这个原因，我如果今天再重新选一行的话，我还是会选这一行，因为我觉得它还有很大的前途。
我觉得数字革命刚刚开始，世界的资源是有限的，要改进人类生活，一定要靠电子智慧。 我们最近在想把一个新功能放在FinFET上面，它只要5个纳米的新材料，我算了一下，如果把所有晶片上都加5纳米新材料的话，每年一共只要 1000公斤材料，就又可以有一场新的革命了！
另一方面，摩尔定律所预言的指数增长到某个时间点必定会放缓。公司为了掌握更高的市场份额、击败竞争对手，必须要拼命把产品性能翻一番甚至翻两番，这些都是可以理解的，也正是他们的努力使得电子产业取得了如此的高速发展。然而，没有哪一种指数增长是可以一直延续下去的。很可能从某一个时间点开始，每两年翻一番的速度就会放缓到每四年到五年翻一番。 而那可能是个更好的结果——与其灿烂无比又一闪而逝，稳定而缓慢的增长显然是更好的。”
二、More Moore or More Than Moore?
在上文中，我们提到摩尔定律发展到特征尺寸5nm的时候，继续简单粗暴地缩小特征尺寸会变得很困难。那么接下来集成电路该怎么办？业界和学界给出的方案有三个大方向：“More Moore”、”“More than Moore”、“Beyond CMOS”。下面主要讨论More Moore和More than Moore，而Beyond CMOS的话题我们将会在第三篇文章里讨论。
言归正传，那为什么这样三个大的方向到底是什么意思？
用这张图就能更好的理解:
More Moore, More-than-Moore and Beyond CMOS
• “More Moore （深度摩尔）”做的是想办法沿着摩尔定律的道路继续往前推进。
• “More than Moore （超越摩尔）”做的是发展在之前摩尔定律演进过程中所未开发的部分。
• “Beyond CMOS （新器件）”做的是发明在硅基CMOS遇到物理极限时所能倚重的新型器件。
1，More Moore （深度摩尔）
“More Moore”延续CMOS的整体思路，在器件结构、沟道材料、连接导线、高介质金属栅、架构系统、制造工艺等等方面进行创新研发，沿着摩尔定律一路scaling（每两到三年左右，晶体管的数目翻倍）。
ITRS每年都会公布之后几代制程的性能参数和Roadmap（roadmap就是大致哪一年做到22nm，哪一年做到10nm，哪一年做到7nm的规划。
然而，More Moore会遇到漏电的问题。当特征尺寸缩小到10nm的时候，栅氧化层的厚度仅仅只有十个原子那么厚，在那个时候会产生诸多量子效应，导致晶体管的特性难以控制，例如量子隧穿效应。这些都导致晶体管漏电非常严重。在传统的摩尔定律时代，工艺制程进化时对于晶体管的优化主要在于性能方面。Intel的执行副总Bill Holt在ISSCC 2016的演讲中提到，在More Moore时代，对于晶体管的优化将从侧重于性能提升转向侧重于减小漏电，即所谓的“由功耗驱动的制程进化 (Power-Driven Technology Transition)”。Intel和TSMC在先进制程所使用的FinFET就是一个典型的例子。FinFET由于使用三维结构，可以更好地控制漏电，但是晶体管的速度相比平面工艺并没有多少提升。下图是鲁汶天主教大学的Willy Sansen在ISSCC 2015演讲中给出的晶体管截止频率变化趋势，从中可见从28nm平面工艺进化到14nm FinFET工艺时，晶体管直接频率不升反降。
平面工艺与FinFET工艺晶体管截止频率比较
2，More than Moore （超越摩尔）
“More than Moore”侧重于功能的多样化，是由应用需求驱动的。之前集成电路产业一直延续摩尔定律而飞速发展，满足了同时期人们对计算、存储的渴望与需求。大众一提到芯片想到的就是CPU、显卡、英特尔、英伟达、高通，也可能会觉得德州仪器这样名字的“山东某设备制造“公司应该和芯片没什么关系吧（纯吐槽）。
但是这个世界不是光光只有处理器啊！像下图所示，一个系统（比如您的手机芯片组）还有很多其他部分的功能模块，这些橙色的部分还大有文章可做。
在一个异质集成系统中集成利用More Moore提升性能的数字处理器／存储模块以及利用More than Moore提升性能的其他模块
首先，摩尔定律（主要是数字电路和存储电路）切下了系统版图的一角却也留下了很大一块的空白。那些“空白”部分（比如模电以及后来兴起的微机电等等）并不是把MOSFET作为单纯的开关来用，也因此和数字电路不停地scaling的玩法不同，当这边看上去快要玩完的时候那边说不定还想大干一场呢。这就是More than Moore的第一重涵义：芯片系统性能的提升不再靠单纯的暴力晶体管scaling，而是更多地靠电路设计以及系统算法优化。
其次，上图中黄色More than Moore的部分与More Moore部分的集成可以超越传统的SoC方式。在传统的SoC中，所有模块必须使用同一种工艺。SoC中的数字电路模块会希望使用先进制程以实现更好的集成度以及更高的性能。然而，对于射频、模拟以及混合信号模块，先进制程并不能带来显著的集成度和性能改善。模拟电路的版图设计必须考虑串扰的问题，而且往往是手工设计版图，因此先进制程下的集成度改进并非立竿见影。对于射频电路，由于往往要使用大尺寸的电感，在不同工艺下的集成度几乎没有变化。这就导致射频、模拟以及混合信号模块在先进制程中的成本反而较高。就性能而言，由于先进制程的电源电压会偏低，晶体管输出阻抗也会较小，模拟/射频/模拟信号模块的性能在先进制程下反而可能更差。例如晶体管的本征增益(Intrinsic Gain)在先进制程下只有5左右，因此放大器的设计变得困难。另外在低电源电压下，模拟电路的线性度很难保证。More than Moore的第二重涵义就是，集成度的提高不一定要靠暴力地把更多模块放到同一块芯片上，而是可以靠封装技术来实现集成。模拟/射频/混合信号模块等不需要最先进工艺的模块可以用较成熟且廉价的工艺实现（比如为模拟射频工程师所喜闻乐见的0.18um/65nm），而数字模块则可以由先进工艺实现。不同模块可以用封装技术集成在同一封装中，而模块间的通讯则使用高速接口。这种集成方式即异质集成(heterogeneous integration)，是目前在工业界和学界都非常火的研究方向。对于封装技术，业界在力推TSV(Through Silicon Via)技术，即把多块芯片用三维堆叠的形式放在一起，然后在不同的芯片间打通孔并制作铜连线，使得芯片间可以经由这些连线实现通信。TSMC则在推广2.5D技术CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) 和InFO (Integrated Fan-Out) ，基本概念是把多块芯片集成到同一块载体(Interposer)并在载体上制作芯片间的连线。据说苹果下一款产品iPhone7中的A10处理器就会使用TSMC的InFO技术。
当这种封装技术真正成熟后，Marvell创始人Sehat Sutardja在ISSCC 2015演讲中提到的MoChi架构就能真正实现：不同工艺生产的芯片像乐高积木一样集成在封装里并使用通用的高速接口通信；当需要一个新的模块集成到系统中时只需要设计新的模块芯片并改一下封装即可，不再需要重新去设计并生产新的SoC。
最后，也是最重要的，随着时代的发展，人们对物联网、生医电子等等产业的期待和需求越来越大，也就是说，消费者除了对计算、存储功能还对传输、感测、智能化等功能的要求越来越高。More than Moore的第三重涵义：芯片的主要卖点不仅仅是更高的性能，更可以是一些有用的新功能。
这意味着什么，这意味着商机啊，意味着大笔大笔的钱啊。
比如
mm-Wave IC：现在大家常讲的2G啊5G啊，现在直接上60G，是不是很快！
Wireless power transmission：无线充电啊，其实现在IC级的无线充电从工业界商用的角度来讲效率还不算高，传输距离也还有很大的限制，还有很大的发展空间啊， 如果一款手机只要在有类似WiFi的地方就能自己充电你是不是会马上冲出去买买买！
Power converter for energy harvesting：不仅无线充电啊，芯片还能自己从周围环境吸收能量啊， 是不是吊炸天！
生医电子就不用讲了，神马吹口气就能测癌症的芯片啦、一滴血就能检艾滋的芯片啦、会放电刺激你大脑的芯片啦、能在你血管里游来游去的微机电啦！（这方面还有很多很有意思的生医芯片，有机会再给大家详细介绍）
等等等，这些例子都不是科幻想象，都是有被具体流片实现验证的呐！但是为毛我作为消费者还没有接触到！炸裂！
因为啊，相对来说，这些技术或者还不够成熟、或者制造成本过高、或者仍不适合大量生产，还有很大的开发空间，还需要很大的研发投入。所以，业界学界就有很多人提出，别整天快到头啦快到头了的，我们来玩More than Moore好不好，我们继续赚大钱好不好（切，大钱怎么会给你们硬件挣，都在人家互联网公司好不好（纯吐槽，羡慕嫉妒没有恨））。
上面介绍的“More than Moore”其实和去年台积电张忠谋董事长“下一个发展亮点是互联网”的观点是一致的。张忠谋说，摩尔定律分析，半导体经过数十年的发展就差不多“要死了”，就算还可以苟延残喘个5、6年，难道接下来就没有事情做了吗？
为半导体产业把脉，张忠谋提出3个发展方向，
首先摩尔定律下包括射频、输入输出控制等不需要高阶制程的产品可以放在同一封装上，另外发展高阶技术的产品，能将相同制程的不同产品一起封装的先进封装技术，让一颗芯片能整合更多功能，更可以节省空间（也就是之前提到的TSMC力推的2.5D封装）。
第二，物联网有机会用到不同的传感器，去执行测量温度、侦测环境、感应人体血压等功能，半导体公司也要必须跟上脚步，掌握这些技术。
最后，他认为未来的产品须要更佳的低功耗功能，甚至功耗要求比智能手机低10倍，最好一周只充一次电，这技术也将是半导体公司须要突破的。
总结：在未来，继续使用MOSFET器件的集成电路发展方向包括More Moore以及More than Moore。More Moore更激进地缩小数字集成电路的特征尺寸，但是器件优化重心渐渐地从性能转移到了功耗。More than Moore则在系统集成方式上创新，系统性能提升不再靠单纯的暴力晶体管特征尺寸缩小，而是更多地靠电路设计以及系统算法优化。
三、Beyond CMOS
Beyond CMOS的主要思路就是发明制造一种或几种“新型的开关”来处理信息，以此来继续CMOS未能完成之事。因此理想的这类器件需要具有高功能密度、更高的性能提升、更低的能耗、可接受的制造成本、足够稳定以及适合大规模制造等等的特性。
目前对于Beyond CMOS的研究是学界和业界的热点之一，提出的方案也可谓百花齐放。下面的综述表格适合想深入了解或是做这方面研究的同学(友情提示，以下部分适合吹水，(有些方向)毕业&找工&投资有风险，跳坑需谨慎)：
TFET 主要应用量子力学的隧穿原理，直接穿越source和drain间的屏障而不是扩散过去。
优势：
实现低Vdd（电源电压）、低功耗以及更好的次临界摆幅
与CMOS工艺兼容
挑战：
低饱和电流
提高对内部电场的栅极电压控制度有难度
界面态的问题（在传送和接收端都需要足够高界面密度来为载子提供能量充足的位置）
2.Nano-electro-mechanical Switch (NEMS)
MEMS的进阶版，用上图所示的悬梁臂来做为机械开关。
优势：
理论上可以做到为零的泄漏电流和亚阈值摆幅
对温度的敏感度低
对电磁冲击免疫
与CMOS工艺兼容
挑战：
由于悬梁臂的机械动作带来较低的开启关闭速度
纳米级接触的可靠性
表面力产生的突刺
受到隧穿效应限制的比例缩放
高吸和电压
3.Single Electron Transistor (SET)
栅端电压控制稳定状态间的调谐，实现“岛”上单一电子的增或减。
优势：
高速
高器件密度
高能效
可能带来新奇的功能和应用
与CMOS工艺兼容
挑战：
尺寸与温度的权衡
低增益
较大的阈值电压变化
寄生电容
低输出电流、高输出阻抗
有限的扇出数
较低的抗噪声能力
尚未完全成熟的制造工艺
4.Quantum Cellular Automata (QCA)量子元胞自动机
通过改变元胞编排结构来表示二进制。
相邻的元胞由于库仑耦合效应趋向于对齐一致，从而实现信息的传递。
已有通过实验演示的半导体、分子、磁性点类型的量子元胞自动机提供了低功耗，新型信息处理方式、传输机制，以及多数决操作。
QCA 量子电路是未来实现量子计算机的技术之一。
挑战：
工作温度的限制
在极端尺寸下的图形构造
5.Atomic Switch
原子开关基于两电极间的金属原子桥的形成与湮灭，从而形成门（相当于栅极）控开关模式。
优势：
高扩展性
低操作电压和能耗
作为记忆体的双端器件应用时，与conductive-bridge RAM (CBRAM)类似
相对来说存在低制造成本的可能性
3D堆叠结构
挑战：
需要提高三端器件所具有的性能（速度、耐久度、均匀度）
稳定性和高可变性需要被考量
速度由电极活性表面的离子输运和电化学反应决定
需要对工作机制有更深入的了解
6.SpinFET
利用电子的自旋方向来携带信息。
相关技术也是未来实现量子计算机的技术之一。
优势：
旋转的自由度使额外的信号调制和控制成为可能
具有场效应晶体管的结构且与CMOS工艺兼容
理论上有更小的传输耗散
无挥发性
可编程性
挑战：
磁性材料及其制造工艺
需要高效率的自旋注入和侦测来实现足够多的开/关比例
自旋轨道间的栅极调制的强度
自旋弛豫及其寿命
7.Graphene FET 石墨烯FET
2D材料，蜂窝状的单原子碳结构。
优势：
高迁移率（有构造更快速FET的潜力）
挑战：
现有的研究都没有实现电流饱和gds高内在的电压增益<0.4带有电压增益的电路结构难以实现
石墨烯没有带隙（band gap）
开/关电流比欠佳不理想的开关
石墨烯材料的最重要的缺陷就是缺少带隙，所以这方面也有各种各样的研究尝试。
8.Carbon Nanotube FET 碳纳米管FET
CNT是由石墨烯薄片卷起来的纳米级直径的圆管。
优势：
在RF电路中的应用较有前景
在表面的一维输运 可实现极佳的沟道控制和高线性度（Id ~ Vgs）
由于较大的平均自由程CNT有地热噪声以及操作在THz频率的潜力
挑战：
现有实现的高性能CNT内是有金属喷镀的，需要设法摆脱
一个碳纳米管只能承载10至30 μA的电流，因此需要几百个碳纳米管来达到mA级别的漏端电流
已有的CNT FET amplifier with 11 dB gain at 1.3 GHz
大规模制造工艺仍有待发展
9.Nanowire FET
优势：
相比CMOS，对载子/沟道有更好的控制
当直径很小（几个纳米）时，有一维（弹道）的传输效果
相比CMOS有大约4倍的速度提升
环形栅在高速器件中很有前景
挑战：
可靠度和器件的可复制性
达到mA级别的电流需要很多单一器件的排列
仍未有RF应用的实现
Beyond CMOS部分引用前文提到的华人科学家An Chen已发表的论文结论做一个小结：
根据时间上的状态变量和开关装置做的分类：
ERD组基于评价和调查，对上述三大类新型逻辑器件在比例缩小能力、速度、能效、开关（1/0）比、操作可靠性、室温下性能、CMOS工艺兼容性等方面的归一化评估：
简单地说单一射线上的数值越大越好，最终所包围的面积越大越好。
另外，C. Carta等人在论文"Review of Advanced and Beyond CMOS FET Technologies for Radio Frequency Circuit Design"中给出了一些常见Beyond CMOS器件与经典CMOS器件的比较，摘录如下：
最后用ITRS（国际半导体技术蓝图）公布的一份报告中的图片作为总结。
注意看左右两条长直线和中间的五个大层面。
偏左边是已有的成熟技术，偏右边是新型的信息制程技术。
最下层的状态变量有从电子电荷向分子、极化、强电子相关态、自旋方向等方向发展的趋势。
第二层材料方面有从硅、碳、宏观分子材料、纳米结构、复合金属氧化物等方向发展的趋势。
第三层的器件结构层级有从CMOS向分子器件、自旋器件、铁磁性器件、量子器件等方向发展的趋势。
第四层的数据载体有从模拟量、数字量像模式量、量子位等方向发展的趋势。
第五层的计算机架构有从冯－诺依曼架构、多核架构向可重构、量子、形态学计算机等方向发展的趋势。
可见随着新器件的涌现，新的更有效率的算法和系统结构也将随之诞生。例如，在量子计算机可以高效率地使用量子退火算法来解机器学习训练中最关键的最优化问题。又例如，在忆阻器（memoristor）真正成熟后，可以在存储器中直接对数据进行操作，这样新的计算机架构就可以替代旧的冯－诺依曼架构实现更有效率的计算。Beyond CMOS带来的不仅仅是电路性能的提升，还可能是整体系统架构的更新并带动新的应用，从而开创一个崭新的信息时代。