🔷突破CMOS微縮與功耗瓶頸，新型邏輯器件加速演進
🔷非易失記憶體全面崛起，開啟後摩爾時代計算新架構
過去幾十年，半導體產業的發展幾乎始終圍繞著一條主線——把電晶體做得更小、更快、更省電。但隨著 CMOS 不斷逼近物理與功耗極限，單純依靠製程微縮推動性能提升正在變得越來越困難。那麼，CMOS 之後，晶片技術究竟會走向那裡？
今天，小編就結合這份報告，帶大家系統梳理後摩爾時代的技術路線。從 CNT FET、TFET 等新型邏輯器件，到 STT-RAM、RRAM、FeFET 等新型記憶體，再到存算融合與非馮·諾依曼架構，一場從“Scaling驅動”走向“功能與應用驅動”的底層技術變革，正在逐漸展開。
一、這份材料真正想說明什麼？
當傳統 CMOS 微縮逐漸遭遇功耗、材料和器件物理極限之後，半導體技術未來不能只依靠“繼續縮小電晶體”，而需要從新型邏輯器件、新型非易失記憶體、計算架構以及 More-than-Moore 應用四個層面共同尋找下一輪技術突破。文件最後將這一變化概括為：半導體技術驅動力正在從 Scaling（尺寸微縮）轉向 Functions & Applications（功能與應用驅動）。
二、CMOS微縮遭遇的核心問題：功耗牆
過去幾十年半導體性能提升主要依靠 CMOS Scaling，但隨著尺寸不斷縮小，晶片功率密度持續上升，“Energy Crisis”成為繼續微縮的重要制約因素。因此產業開始採用低功耗設計、多核架構等方案，同時尋找能夠從器件物理層面降低功耗的 Beyond-CMOS 技術。
文件實際上把未來器件路線分成兩個方向：
CMOS Extension 是繼續延長 CMOS 生命周期，通過新材料和新結構改善傳統電晶體，例如 Strain、SiGe、Ge、III-V、CNT，以及 FinFET、Gate-All-Around 等。
而真正的 Beyond-CMOS，重點則不只是換材料，而是改變電晶體的底層工作機制，包括新的輸運機制、新的柵控機制以及新的狀態變數，例如隧穿、機械/鐵電控制以及 Spin（自旋）等。
三、Beyond-CMOS邏輯器件：低功耗成為第一目標
ITRS 將新興邏輯器件按照“狀態變數+工作機制”劃分為三大類：CMOS Extension、基於電荷的 Beyond-CMOS，以及基於非電荷狀態變數的 Beyond-CMOS。
候選技術非常多，包括 CNT FET、TFET、SpinFET、Mott FET、NEMS、QCA、Nanomagnet、Spin Wave、All-Spin Logic、Domain-Wall Logic 等。
其中報告重點討論了兩個方向。
CNT FET（碳奈米管電晶體）擁有尺寸縮放能力強、超薄溝道、彈道輸運和 Gate-All-Around 等優勢，但仍然面臨 CNT 純度、位置和密度控制、器件變異性、接觸電阻以及 NFET 實現等問題。
TFET（隧穿場效應電晶體）則通過量子力學帶間隧穿實現陡峭亞閾值特性，目標是在低 Vdd 下獲得比 MOSFET 更低的能耗。但其 Ion、介面態、材料工藝、器件尺寸縮放以及變異性仍需要解決。
所以報告對 Beyond-CMOS Logic 的判斷並不是“全面替代 CMOS”，而是首先尋找能夠突破 CMOS 功耗瓶頸的新型開關機制。
四、新型記憶體可能比新型邏輯更快實現產業化
報告的第二條主線是 Emerging Memory。
傳統記憶體體系主要是 SRAM、DRAM 和 Flash，而新型非易失記憶體則覆蓋 STT-RAM、RRAM/CBRAM、FeFET/FTJ、PCM、Mott Memory、Carbon Memory、Molecular Memory 等大量路線。
其中報告尤其看好三條路線：
STT-RAM：兼具非易失性，同時耐久性和速度可以接近 DRAM/SRAM，但需要解決垂直 MTJ、製造整合、變異性以及成本問題。
RRAM：潛在優勢是低成本、高密度，同時速度和耐久性較好，材料與結構選擇豐富；問題則集中在隨機導電機制、器件變異性、可控性、重複性和失效機制。
FeFET：關鍵突破來自 Ferroelectric HfOx（鐵電氧化鉿）。HfOx 的出現顯著改善了傳統鐵電材料在電晶體柵長縮放方面的問題，使 FeFET 更有機會進入先進 CMOS 工藝體系。
因此，報告認為新型非易失記憶體已經取得顯著進展，有潛力突破傳統 Memory Bottleneck，並進一步催生新的計算方式。
五、更重要的變化：從“新器件”走向“新計算架構”
這其實是整份報告非常重要的一層邏輯。
作者認為，如果只是把 Beyond-CMOS 器件當成一個更小、更低功耗的 CMOS 替代品，很可能無法充分體現這些器件的價值。
因為很多新器件天然具備傳統 CMOS 沒有的特徵，例如：
非易失性、邏輯與記憶體融合、Majority Gate、高規則性陣列、自適應特性，以及相干/集體行為。
這些特性應該與新的計算架構結合。
因此報告進一步提出 Beyond von Neumann Computing，包括 Cellular Automata、Processor-in-Memory、Memory-in-Logic、Computational Memory、Reconfigurable Computing、Neuromorphic/Machine Learning、Approximate Computing、Collective-effect Computing 等。
也就是說Beyond-CMOS真正的價值，可能不是製造一個“更好的MOSFET”，而是讓晶片擁有完全不同的計算方式。
六、NVM + CMOS：記憶體與計算融合成為關鍵路線
報告特別提出 NVIP（Non-Volatile Information Processing，非易失資訊處理）。
核心思路是將 STT-RAM、RRAM、FeFET、PCM、Flash 等 NVM 與傳統 CMOS Logic 結合，建構 Nonvolatile Gate、Nonvolatile Logic 和 Nonvolatile Switch。
這樣可以帶來三個重要變化：
降低甚至消除待機功耗 → 減少資料搬運 → 提升吞吐量並降低系統功耗。
進一步還可以支援Computation-in-Memory、Non-von-Neumann Architecture、Latch-less Pipeline 等架構。
進一步給出了 Ferroelectric Flip-Flop、Magnetic LUT、MTJ-based NV Adder、ReRAM-based NV SRAM 和 ReRAM Programmable Interconnect 等實例，說明報告關注的已經不是單純“記憶體器替代”，而是利用非易失器件重構整個邏輯—記憶體體系。
七、半導體技術路線正在從“Scaling驅動”轉向“應用驅動”
這是整份文件最值得提煉出來的產業觀點。
過去的路線基本是摩爾定律 → 電晶體縮小 → 性能提升 → 新產品
未來則逐漸變成 IoT / Cloud / Big Data / Sensor / Security等新應用 → 提出新的功耗、記憶體、計算需求 → 倒逼新器件和新架構。
報告非常清楚地將 Beyond-CMOS 與不同應用對應起來：IoT 需要TFET/NEMS低功耗器件、Embedded NVM、TRNG/PUF安全技術、RF、感測器和能量採集；Cloud/Big Data 則需要 Optical Interconnect、Storage Class Memory、DC-DC、Data-driven Computing和Security。
因此 Beyond-CMOS 的研究重點也會從今天的Emerging Logic + Emerging Memory，逐漸擴展到 Novel Architecture、Sensor Integration、Hardware Security、Energy Harvesting，以及面向 IoT/Cloud 的專用電路與架構。
🏁 小編總結
後摩爾時代的技術演進將從單純追求電晶體尺寸微縮，轉向“新材料 + 新器件 + 新型非易失記憶體 + 新計算架構 + 新應用”的系統級創新；其中 CNT FET、TFET、STT-RAM、RRAM、FeFET 等是重要候選，而存算融合、非馮·諾依曼計算、IoT、雲端運算和硬體安全，則可能成為推動 Beyond-CMOS 真正落地的核心應用方向。 (芯聯匯)