全球首个塑料ARM芯片登上Nature，成本仅同类硅芯片1/10

Posted 2021-08-26 QbitAl

丰色 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

塑料也能用于造芯片？

是的，你没听错！

ARM公司宣布他们用一种塑料和薄膜晶体管制成了一种新的处理器PlasticArm。（图为显微镜下的照片）

该处理器是全球首个柔性原生32位、基于ARM架构、高达18334个等效门的微处理器。

其生产过程不涉及到硅元素，生产成本大概为同类硅芯片的1/10。

而这一柔软灵活、低成本的微处理器将在物联网设备中派上用场。

成果现已发表在Nature：

塑料也可成为芯片材料

目前，几乎所有电子设备的微处理器都采用硅材料制成。

而研究人员将目光转移到了塑料材料，是因为硅有着易碎、不够灵活、不耐压力等缺点，这限制了其在日常用品智能化上的可行性。

新的处理器用的塑料叫做聚酰亚胺，号称“柔术大师”，其弯曲性，灵活度、可变性很高，也是一种耐高温的塑料，可折叠屏智能手机上就有它的应用。

并采用金属氧化物薄膜晶体管（TFT）技术开发。

薄膜晶体管主要应用于液晶显示器LCD和有机发光半导体OLED中。

制作方法为在厚度小于30μm的柔性聚酰亚胺衬底上，利用PragmatIC公司的FlexIC 0.8μm工艺，与IGZO薄膜晶体管结合，最终制成该柔性微处理器。

IGZO：氧化铟镓锌，一种LCD薄膜晶体管显示器技术，在一些高端手机上使用，比OLED屏高级，但产量不及OLED。

△ PlasticArm架构

可以看出，这仍然是一种光刻工艺，采用了旋涂和光刻胶技术。

最终PlasticARM有13个材料层和4个可布线的金属层。

由32位Arm Cortex-M0+处理器衍生，可以说是M0+的全功能非硅版本。

它完全支持ARMv6-M系列架构，为Cortex-M0+处理器生成的代码也可以该处理器上运行。

并与所有其他Cortex-M系列二进制兼容，与常规Cortex-M0+一样，具有16位Thumb ISA和32位Thumb子集，数据和地址宽度均为32位，支持86条指令。

而它与硅制M0+内核的关键区别在于其寄存器不在CPU内，而是映射到RAM中。

通过从CPU中删除寄存器并使用现有RAM作为寄存器空间，此举以降低寄存器访问速度为代价，实现了CPU面积约3倍的缩减。

PlasticARM的主要参数如下：

尺寸为59.2mm²（7.536X7.856，无焊盘），厚度不到30微米，包含56340个器件（n型TFT与电阻器）、18334个NAND2等效门，这数量比目前最好的集成电路高12倍（对比见后面的表格）。

处理器的时钟频率为29kHz，消耗功率为21mW（>99%的静态功率，45%处理器，33%内存，22%IO）。

这听起来可能很小，但在标准硅上实现的M0+只需要10mW多一点就能达到1.77MHz。

另外，SoC芯片引脚一共28针，包括时钟、复位、GPIO、电源等引脚。

下面是PlasticARM与其他金属氧化物TFT构建的柔性集成电路对比：

成本更低，可用于物联网设备

与ARM一起设计和生该芯片的公司PragmatIC表示，虽然用的材料是新的，但他们在尽可能多地借鉴硅芯片的生产过程。这样就能实现降低成本批量生产。

而这些芯片的成本大概是同类硅芯片的十分之一。

斯坦福大学的电气工程师评价道，这种芯片的复杂性及其包含的晶体管数量给他留下了深刻印象。

但它也还有局限性：该芯片消耗21毫瓦的能量，但其中只有1%用于执行计算；其余的都被浪费了。

这主要是它只采用了n型晶体管（但受到该芯片使用的材料限制，p型并不好设计）。

该工程师表示，没准可以换别的柔性材料来降低尺寸和功率，比如碳纳米管，当然这会提高成本。

总而言之，哪种柔性材料最终有意义将取决于芯片的应用场景，硅并不总是注定要成为所有电子设备的核心。

虽然Arm的设计似乎没有证明任何理论突破，但这表明可以生产出一种相对容易制造和使用的处理器用于实际的电子设备。这就是其中令人兴奋的部分。

因此，研究人员也计划将PlasticARM率先用来开发低成本、足够灵活的智能集成系统，实现“万物互联”，在未来十年内将超过一万亿个无生命物体集成到数字世界中。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03625-w

参考链接：
[1]https://www.anandtech.com/show/16837/plasticarm-get-your-next-cpu-without-silicon
[2]https://www.wired.com/story/bendy-plastic-chips-fit-unusual-places/