基于ARM架构的柔性塑料芯片诞生了

Posted 2021-09-11 ybhuangfugui

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来源 | 网络

前不久，科学期刊英国《Nature》（自然）杂志发表了一项电子行业最新突破性技术进展：由Arm公司领衔，联合全球柔性电子产品供应商PragmatIC等机构，结合金属氧化物薄膜晶体管（TFT）和柔性聚酰亚胺（一种耐高温的塑料），制成了全球首个柔性原生32位、基于ARM架构、高达18334个等效门的微处理器PlasticARM。

该芯片有望推动低成本、全柔性智能半导体与集成电路产业的发展。

塑料也能成为芯片材料

近50年前，英特尔创造了世界上第一个可商业量产的微处理器——Intel 4004，这是一个仅4位的CPU（中央处理单元），具有2300个晶体管，使用10um工艺技术在硅基材料中制造，只能进行简单的运算计算。

自从取得这一突破性成就以来，随着技术的不断发展，芯片结构越来越复杂，目前最先进的硅64位微处理器现在拥有 300 亿个晶体管（例如麒麟9000、骁龙888等，这些使用 5 纳米工艺技术制造的处理器)。

微处理器现在深深地嵌入我们的文化中，以至于它已成为一项元发明——也就是说，它是一种允许实现其他发明的工具。

Nature发表的这种32 位 Arm（精简指令集计算 (RISC) 架构）微处理器，在柔性基板（我们称为 PlasticARM）上采用金属氧化物薄膜晶体管技术开发。

与传统半导体器件不同：柔性电子器件构建在纸张、塑料或金属箔等基板上，并使用有机物或金属氧化物或非晶硅等有源薄膜半导体材料。

与晶体硅相比，它们具有许多优势，包括薄度、一致性和低制造成本。薄膜晶体管 (TFT) 可以在柔性基板上制造，其加工成本比在晶体硅晶片上制造的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 低得多。TFT 技术的目标不是取代硅。随着这两种技术的不断发展，硅很可能会在性能、密度和功率效率方面保持优势。

微处理器是每个电子设备的核心，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、路由器、服务器、汽车，以及最近构成物联网的智能对象。尽管传统的硅技术已将至少一个微处理器嵌入到地球上的每一个“智能”设备中，但它面临着使日常物品变得更智能的关键挑战，例如瓶子（牛奶、果汁、酒精或香水）、食品包装、服装、可穿戴贴片、绷带等等。成本是阻碍传统硅技术在这些日常用品中可行的最重要因素。尽管硅制造的规模经济有助于显着降低单位成本，但微处理器的单位成本仍然高得令人望而却步。

此外，硅芯片并不是天生的薄、柔韧和贴合，另一方面，柔性电子产品确实提供了这些理想的特性。在过去的 20 年中，柔性电子产品已经发展到提供成熟的低成本、薄型、柔性和适应性强的设备，包括传感器、存储器、电池、发光二极管、能量收集器、近场通信/射频识别和印刷电路比如天线。这些是构建任何智能集成电子设备的基本电子元件。缺少的部分是灵活的微处理器。尚不存在可行的柔性微处理器的主要原因是，需要在柔性基板上集成相对大量的 TFT 以执行任何有意义的计算。这在新兴的柔性 TFT 技术以前是不可能的。

中间的方法是将硅基微处理器芯片集成到柔性基片上，也称为混合集成(3,4,5)，即将硅晶圆变薄，将晶圆上的芯片集成到柔性基片上。虽然薄硅模集成提供了一个短期的解决方案，但这种方法仍然依赖于传统的高成本制造工艺。因此，这不是一个长期可行的解决方案，在未来10年或更长的时间里，它无法实现数十亿日常智能物品的生产。

Arm团队设计出全球首个柔性原生32位、基于ARM架构的微处理器PlasticARM

Nature发表的这篇研究成果是由Arm Ltd公司的科研团队领衔。基于新的合成材料，新的指令集架构，通过行业标准芯片实现工具的PragmatIC 0.8μm工艺，Arm团队由此设计出全球首个柔性原生32位、基于ARM架构的微处理器PlasticARM。

在合成材料部分，与在硅晶圆上制造硅基晶体管 (MOSFET) 不同的是，Arm公司团队使用了一种“非晶硅”的新型材料。基于厚度小于30 μm的聚柔性聚酰亚胺（一种耐高温的塑料）衬底上，利用PragmatIC的FlexIC 0.8μm工艺，与金属氧化物薄膜晶体管（TFT）结合构成柔性微处理器。所有关键部件——32位CPU处理器、RAM、ROM 和互连——均使用非晶硅制成，并在柔性聚合物上制造。

这并非是完全放弃硅基的晶体管，而是基于“硅”材料技术加上柔性特质。该研究的合作者、PragmatIC技术高级副总裁Catherine Ramsdale解释指，虽然材料是新的，但其与Arm团队的想法是，尽可能多地借鉴硅芯片的生产过程，与硅器件的一致性是关键，这样更容易批量生产芯片并降低成本。

据悉，非晶硅材料以有序原子阵列的形式存在，可用作太阳能电池板和液晶显示器等，价格上也很便宜，加工技术更简单，还可以缩小到规模化集成所需的较小尺寸。比如，PlasticARM的CPU部分面积大幅减少约3倍，时钟频率最高可达29kHz，功耗仅为21mW。

根据论文所述，PlasticARM的面积为59.2平方米，其中处理器面积占45%，存储器占33%，外设占22%。并且，“PlasticARM”处理器拥有更多晶体管，包含18,334个NAND2等效逻辑门，比此前金属氧化物薄膜晶体管构成的最佳柔性集成电路多12倍的逻辑门。这使PlasticARM成为迄今为止最复杂的柔性集成电路FlexIC技术。

研究人员表示，这一纤薄、低成本的柔性微处理器或可为日用品的智能化开拓道路。

除了制造部分，在指令集架构上PlasticARM也做了诸多创新。Arm公司与PragmatIC合作，联合研发出一种32位Arm Cortex-M0+处理器指令集版本，可以执行ARM Thumb指令的简化子集，甚至兼容Armv6-M架构中的Arm Cortex-M类处理器。并且，研究人员还针对小型和低功耗使用进行了优化，让其用作嵌入式处理器，实现最小能耗。

据了解，厄泽尔所在的Arm研发团队已计划下一步改进、升级迭代PlasticARM处理器产品，主要涉及降低功耗等。此外，研究人员还希望下一代处理器的等效逻辑门数提高到10万以上。

摩尔定律不太可能适用于塑料芯片

该研究的合著者兼PragmatIC技术高级副总裁Catherine Ramsdale表示，与硅器件的一致性是关键，该公司与Arm一起设计和生产柔性芯片。虽然材料是新的，但其想法是尽可能多地借鉴硅芯片的生产过程。这样，更容易批量生产芯片并降低成本。Ramsdale表示，这些芯片的成本可能是同类硅芯片的十分之一，因为塑料便宜且设备需求减少。她说，是的，这是一种“务实”的处事方式。

斯坦福大学(Stanford University)的电气工程师埃里克·波普(Eric Pop)没有参与这项研究，他说，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。“这推动了技术的进步，”他说。但实用主义也有局限性。最清楚的是这个设备消耗了多少能量。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，因为芯片处于闲置状态。他解释说，在户外，用一个比邮票还小的太阳能电池就可以生产这种芯片——换句话说，不是很多——但随着柔性芯片变得越来越复杂，这并不是提高效率的好起点。“你要做什么，把自己连到一个巨大的电池上吗?”流行问道。

迈尔斯说，这些小型芯片的计划是使用类似于智能手机支付的无线充电技术。但他承认芯片需要更节能——他相信在一定程度上是可以做到的。他说，目前的设计可以做得更小、更高效，也许足够扩大到10万个闸门。但这可能是极限。原因是它的设计相当简单。晶体管有两种形式，称为“N”和“P”。它们是互补的。有电压时打开，没有电压时关闭;另一种则相反。“你真的想拥有他们两个，”爸爸说。Arm芯片泄漏这么多能量的一个原因是它只有N型。使用Arm和PragmatIC选择的材料，P型晶体管的设计难度更大。

缩放的一个选择是转向其他柔性材料，如碳纳米管，因为这两种材料都更容易制造。波普实验室正在研究的另一种选择是，使用在刚性衬底上制造的二维材料，然后转移到柔性材料上，以减少晶体管的尺寸和功率需求。在这两种情况下，代价可能都是制造成本的增加。

Subhasish Mitra在斯坦福大学计算机科学家领导的第一个示范2013年碳纳米管电脑,说,虽然手臂的设计似乎不展示任何理论上的突破,研究人员似乎产生了一种相对简单的设备制造和用于实际应用。“时间会告诉我们应用程序开发者将如何利用这一点，”Mitra说。“我认为这是令人兴奋的部分。”

哪种柔性材料最终有意义将取决于芯片需要如何使用，波普解释说。例如，硅并不总是注定要成为我们设备的核心。有一段时间，科学家们认为这可能是锗——一种比硅更优越的半导体元素。但它并不叫“锗谷”。硅更容易获得，在某些方面也更容易设计。廉价的柔性芯片还处于早期阶段。我们需要纸质电子产品的可回收性吗?碳纳米管的潜在功率和规模?或许我们只是需要塑料的实用性。

也许摩尔定律不太可能适用于塑料芯片。拉姆斯代尔说:“我们并不是在寻找硅能出色发挥作用的市场。”该公司主要着眼于“硅被有效地过度设计”的用途。在硅领域，对更强大设备的需求推动了规模和功率的指数级增长。装在牛奶盒里的电脑芯片也是这样吗?也许回到上世纪80年代就足够了。