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機器之心報道

編輯:澤南、張倩

真正的物聯網晶片,連材質都給你改成塑料的。

在光計算晶片、量子計算實用化之前,Arm 的塑料處理器可能會更早一步來到我們的身邊。

近日,著名半導體設計公司 Arm 與 PragmatIC 合作,生產出了全球應用最廣泛的處理器架構 Cortex-M0 的非矽版本,其研究還發表在了《自然》雜誌上。

塑料版的 M0 由聚醯亞胺基板構建,由薄膜金屬氧化物電晶體組成,就像 IGZO TFT 螢幕一樣。


Arm 等機構的研究人員在最近的一項研究中表示,他們嘗試將晶片電路和元件列印在塑料基板上,就像印表機在紙上列印墨水一樣。

這種晶片可以通過將電路直接印刷到紙張、紙板甚至布料上來實現,大幅降低了生產成本。據介紹,該技術可以讓數以億計的日常生活用品(如衣服和食品容器)連線上網際網路,以收集、處理和傳輸資料——對於商家來說可以成倍提高效率,對於隱私保護也有重要意義。

近幾十年來,摩爾定律的發展讓晶片不斷接近「沙子價」,出現在電視、洗衣機、手錶等各種電器和可穿戴裝置上。然而這種應用範圍的拓展是存在極限的。如今幾乎所有的晶片都需要在高度專業化且精密的晶圓工廠中製造,經歷數十個複雜的化學和機械過程,從原材料到出廠需要長達八週的時間。

現在,隨著 Arm 提出的 32 位 PlasticARM 處理器出現,一切將會發生變化。

Arm 的研究工程師 James Myers 表示,這種柔性晶片可以執行一系列程式,但目前它使用的是隻讀處理器,因此只能執行內建程式碼。未來的版本將使用完全可程式設計的、靈活的記憶體。

「這個晶片不會很快,也不會很節能,但我可以把它放在生菜上記錄保質期,這就是它的用途,」他表示。

「我們還在尋找應用,就像 20 世紀 70 年代那些研發處理器的人一樣。它能用來支援智慧包裝嗎?能用作氣體感測器來檢測食物可食用性嗎?還是說我們可以把它做成可穿戴健康貼片?這些問題目前都處在探索階段。」

在柔性晶片領域,Arm 並不是第一個吃螃蟹的人,但他們的晶片卻是迄今為止所公佈的成果中最強大的一個。它在不到 60 平方毫米的晶片上整合了 56340 個元件,這個數量相當於之前最好的柔性晶片元件數的 12 倍,其計算效能大大提高。


列印在塑料薄膜上的計算機處理器。

柔性處理器:真正的 IoT 晶片?

與傳統硬質的半導體器件不同,柔性晶片構建在紙張、塑料或金屬箔等基板上,並使用有機物、金屬氧化物或非晶矽等有源薄膜半導體作為材料。與晶體矽相比,它們具有許多優勢,包括厚度、一致性和製造成本。薄膜電晶體 (TFT) 可以在柔性基板上製造,其加工成本比在晶體矽晶片上製造的金氧半導體場效應電晶體 (MOSFET) 要低得多。

不過,TFT 技術的目標不是取代矽。隨著這兩種技術的繼續發展,矽晶片很可能會在效能、密度和功耗效率方面保持優勢。而 TFT 會使電子產品具有多變的外形尺寸和矽無法實現的低成本,從而顯著擴充套件「晶片」這一概念的應用範圍。

隨著物聯網技術的發展,我們身邊越來越多的裝置正在走向智慧化,但還有很多日常物品還面臨著關鍵挑戰,如水杯、食品包裝、衣服、貼紙、繃帶等。成本是阻礙傳統矽技術在日常用品中可用的最重要因素。儘管晶片製造規模化有助於降低單位成本,但對於這些應用更加廣泛的物件來說仍然相去甚遠。更不用說矽晶片本身並不輕薄。

塑料晶片為我們開啟了可觀的未來,在過去的 20 年中,柔性電子產品技術已經發展到可以提供成熟的低成本、薄型、柔性和高適應性裝置,輸出包括感測器、儲存器、電池、發光二極體、能量收集器、近場通訊 / 射頻識別等成型產品。這些元件是大多數電子裝置的基礎,但微處理器仍然是個問題。

柔性微處理器難以製造的原因在於,我們需要在柔性基板上整合相對大量的 TFT 以執行有意義的計算,這在新興的柔性 TFT 技術出現之前是不可能的。

此前,人們嘗試使用折中的方法,將基於矽的微處理器管芯整合到柔性基板上(這也稱為混合整合)。儘管這是一種短期的解決方案,但仍然依賴於傳統的高成本製造工藝,不是一個長久的解決方案。

Arm 的柔性晶片是如何打造的?

Arm 柔性晶片的微處理器是採用柔性電子製造技術製造的,該技術也被稱為「天生靈活的處理引擎(natively flexible processing engine)」。他們使用的技術包含金屬氧化物 TFT。金屬氧化物 TFT 成本很低,而且可以縮小,方便大規模整合。

早期的原生柔性處理器相關工作是基於使用低溫多晶矽 TFT 技術開發 8 位處理器,這種技術製造成本高,橫向可擴充套件性差。最近,基於二維材料的電晶體被用於開發處理器,例如使用二硫化鉬(MoS2)電晶體的 1 位 CPU 以及由碳奈米管場效應電晶體構造的 16 位 RISC-V CPU。然而,這兩項工作都是在傳統的矽片上進行的,而不是在柔性基板上。

構建基於金屬氧化物 TFT 的處理元件的首次嘗試是一個 8 位算術邏輯單元,它是 CPU 的一部分,與印製在聚醯亞胺基板上的可程式設計 ROM 耦合。在最近的一系列研究中,Ozer 等人提出了用在金屬氧化物 TFT 中的原生柔性機器學習硬體。儘管該硬體擁有由金屬氧化物 TFT 構造的最複雜的柔性積體電路(FlexIC),邏輯閘數達到 1400,但 FlexIC 不是微處理器。

可程式設計處理器方法比機器學習硬體更通用,支援豐富的指令集,還可用於程式設計廣泛的應用程式,從控制程式碼到資料密集型應用程式,包括機器學習演算法。

總體來看,Arm 的處理器以三層方式構建:1)一個 32 位 CPU;2)一個 32 位處理器,包含一個 CPU 和 CPU 外圍裝置;3)一個 SoC,包含處理器、儲存器和匯流排介面,它們都是在柔性基板上用金屬氧化物 TFT 構造的。

32 位處理器源自支援 Armv6-M 架構(擁有豐富的 80 多個指令集)的 Arm Cortex-M0 + 處理器,以及現有的軟體開發工具鏈(例如編譯器、偵錯程式、聯結器、整合開發環境等等)。整個 SoC(PlasticARM)能夠從它的記憶體儲器執行程式。PlasticARM 包含 18334 個 NAND2 等價門,這使其成為最複雜的 FlexIC,複雜程度至少是之前同類積體電路的 12 倍。

PlasticARM 的晶片架構如下圖 1a 所示。它是一個由 32 位處理器組成的 SoC。該處理器完全支援 Armv6-M 指令集架構,這意味著為 Cortex-M0 + 處理器生成的程式碼也可以在它所派生的處理器上執行。

下圖 1b 是 PlasticARM 與 Arm Cortex-M0 所用的 CPU 的對比。


PlasticARM 是使用工業標準晶片實現工具,採用 PragmatIC 的 0.8 μm 工藝實現的。下圖 1c 展示了 FlexIC 的佈局,從中可以看出 Cortex-M 處理器、RAM 和 ROM 的分佈。PlasticARM 是使用一條名為「FlexLogIC」的商業「fab-in-a-box」生產線製造的,其 die 顯微影象如下圖 1d 所示。


更多細節請參考論文。

參考內容:

https://www.anandtech.com/show/16837/plasticarm-get-your-next-cpu-without-silicon

https://www.theverge.com/2021/7/23/22590001/arm-plasticarm-cheap-flexible-plastic-microchip-internet-of-everything

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原文連結:https://inewsdb.com/數碼/超越矽元素:Arm釋出塑料晶片,研究登上Na

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