超越硅元素：Arm 發(fā)布塑料芯片，研究登上 Nature

　　真正的物聯(lián)網(wǎng)芯片，連材質(zhì)都給你改成塑料的。

　　在光計(jì)算芯片、量子計(jì)算實(shí)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(dǎo)體設(shè)計(jì)公司 Arm 與 PragmatIC 合作，生產(chǎn)出了全球應(yīng)用最廣泛的處理器架構(gòu) Cortex-M0 的非硅版本，其研究還發(fā)表在了《自然》雜志上。

　　塑料版的 M0 由聚酰亞胺基板構(gòu)建，由薄膜金屬氧化物晶體管組成，就像 IGZO TFT 屏幕一樣。

　　Arm 等機(jī)構(gòu)的研究人員在最近的一項(xiàng)研究中表示，他們嘗試將芯片電路和組件打印在塑料基板上，就像打印機(jī)在紙上打印墨水一樣。

　　這種芯片可以通過將電路直接印刷到紙張、紙板甚至布料上來實(shí)現(xiàn)，大幅降低了生產(chǎn)成本。據(jù)介紹，該技術(shù)可以讓數(shù)以億計(jì)的日常生活用品(如衣服和食品容器)連接上互聯(lián)網(wǎng)，以收集、處理和傳輸數(shù)據(jù)——對于商家來說可以成倍提高效率，對于隱私保護(hù)也有重要意義。

　　近幾十年來，摩爾定律的發(fā)展讓芯片不斷接近「沙子價」，出現(xiàn)在電視、洗衣機(jī)、手表等各種電器和可穿戴設(shè)備上。然而這種應(yīng)用范圍的拓展是存在極限的。如今幾乎所有的芯片都需要在高度專業(yè)化且精密的晶圓工廠中制造，經(jīng)歷數(shù)十個復(fù)雜的化學(xué)和機(jī)械過程，從原材料到出廠需要長達(dá)八周的時間。

　　現(xiàn)在，隨著 Arm 提出的 32 位 PlasticARM 處理器出現(xiàn)，一切將會發(fā)生變化。

　　Arm 的研究工程師 James Myers 表示，這種柔性芯片可以運(yùn)行一系列程序，但目前它使用的是只讀處理器，因此只能運(yùn)行內(nèi)置代碼。未來的版本將使用完全可編程的、靈活的內(nèi)存。

　　「這個芯片不會很快，也不會很節(jié)能，但我可以把它放在生菜上記錄保質(zhì)期，這就是它的用途，」他表示。

　　「我們還在尋找應(yīng)用，就像 20 世紀(jì) 70 年代那些研發(fā)處理器的人一樣。它能用來支持智能包裝嗎?能用作氣體傳感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。」

　　在柔性芯片領(lǐng)域，Arm 并不是第一個吃螃蟹的人，但他們的芯片卻是迄今為止所公布的成果中最強(qiáng)大的一個。它在不到 60 平方毫米的芯片上集成了 56340 個組件，這個數(shù)量相當(dāng)于之前最好的柔性芯片組件數(shù)的 12 倍，其計(jì)算性能大大提高。

　　打印在塑料薄膜上的計(jì)算機(jī)處理器。

　　柔性處理器：真正的 IoT 芯片?

　　與傳統(tǒng)硬質(zhì)的半導(dǎo)體器件不同，柔性芯片構(gòu)建在紙張、塑料或金屬箔等基板上，并使用有機(jī)物、金屬氧化物或非晶硅等有源薄膜半導(dǎo)體作為材料。與晶體硅相比，它們具有許多優(yōu)勢，包括厚度、一致性和制造成本。薄膜晶體管 ( TFT ) 可以在柔性基板上制造，其加工成本比在晶體硅晶片上制造的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 ( MOSFET ) 要低得多。

　　不過，TFT 技術(shù)的目標(biāo)不是取代硅。隨著這兩種技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，硅晶片很可能會在性能、密度和功耗效率方面保持優(yōu)勢。而 TFT 會使電子產(chǎn)品具有多變的外形尺寸和硅無法實(shí)現(xiàn)的低成本，從而顯著擴(kuò)展「芯片」這一概念的應(yīng)用范圍。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，我們身邊越來越多的設(shè)備正在走向智能化，但還有很多日常物品還面臨著關(guān)鍵挑戰(zhàn)，如水杯、食品包裝、衣服、貼紙、繃帶等。成本是阻礙傳統(tǒng)硅技術(shù)在日常用品中可用的最重要因素。盡管芯片制造規(guī)模化有助于降低單位成本，但對于這些應(yīng)用更加廣泛的物件來說仍然相去甚遠(yuǎn)。更不用說硅芯片本身并不輕薄。

　　塑料芯片為我們打開了可觀的未來，在過去的 20 年中，柔性電子產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以提供成熟的低成本、薄型、柔性和高適應(yīng)性設(shè)備，輸出包括傳感器、存儲器、電池、發(fā)光二極管、能量收集器、近場通信 / 射頻識別等成型產(chǎn)品。這些組件是大多數(shù)電子設(shè)備的基礎(chǔ)，但微處理器仍然是個問題。

　　柔性微處理器難以制造的原因在于，我們需要在柔性基板上集成相對大量的 TFT 以執(zhí)行有意義的計(jì)算，這在新興的柔性 TFT 技術(shù)出現(xiàn)之前是不可能的。

　　此前，人們嘗試使用折中的方法，將基于硅的微處理器管芯集成到柔性基板上(這也稱為混合集成)。盡管這是一種短期的解決方案，但仍然依賴于傳統(tǒng)的高成本制造工藝，不是一個長久的解決方案。

　　Arm 的柔性芯片是如何打造的?

　　Arm 柔性芯片的微處理器是采用柔性電子制造技術(shù)制造的，該技術(shù)也被稱為「天生靈活的處理引擎(natively flexible processing engine)」。他們使用的技術(shù)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(guī)模集成。

　　早期的原生柔性處理器相關(guān)工作是基于使用低溫多晶硅 TFT 技術(shù)開發(fā) 8 位處理器，這種技術(shù)制造成本高，橫向可擴(kuò)展性差。最近，基于二維材料的晶體管被用于開發(fā)處理器，例如使用二硫化鉬(MoS2)晶體管的 1 位 CPU 以及由碳納米管場效應(yīng)晶體管構(gòu)造的 16 位 RISC-V CPU。然而，這兩項(xiàng)工作都是在傳統(tǒng)的硅片上進(jìn)行的，而不是在柔性基板上。

　　構(gòu)建基于金屬氧化物 TFT 的處理元件的首次嘗試是一個 8 位算術(shù)邏輯單元，它是 CPU 的一部分，與印制在聚酰亞胺基板上的可編程 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(jī)器學(xué)習(xí)硬件。盡管該硬件擁有由金屬氧化物 TFT 構(gòu)造的最復(fù)雜的柔性集成電路(FlexIC)，邏輯門數(shù)達(dá)到 1400，但 FlexIC 不是微處理器。

　　可編程處理器方法比機(jī)器學(xué)習(xí)硬件更通用，支持豐富的指令集，還可用于編程廣泛的應(yīng)用程序，從控制代碼到數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序，包括機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

　　總體來看，Arm 的處理器以三層方式構(gòu)建：1)一個 32 位 CPU;2)一個 32 位處理器，包含一個 CPU 和 CPU 外圍設(shè)備;3)一個 SoC，包含處理器、存儲器和總線接口，它們都是在柔性基板上用金屬氧化物 TFT 構(gòu)造的。

　　32 位處理器源自支持 Armv6-M 架構(gòu)(擁有豐富的 80 多個指令集)的 Arm Cortex-M0 + 處理器，以及現(xiàn)有的軟件開發(fā)工具鏈(例如編譯器、調(diào)試器、連接器、集成開發(fā)環(huán)境等等)。整個 SoC(PlasticARM)能夠從它的內(nèi)存儲器運(yùn)行程序。PlasticARM 包含 18334 個 NAND2 等價門，這使其成為最復(fù)雜的 FlexIC，復(fù)雜程度至少是之前同類集成電路的 12 倍。

　　PlasticARM 的芯片架構(gòu)如下圖 1a 所示。它是一個由 32 位處理器組成的 SoC。該處理器完全支持 Armv6-M 指令集架構(gòu)，這意味著為 Cortex-M0 + 處理器生成的代碼也可以在它所派生的處理器上運(yùn)行。

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

　　PlasticARM 是使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)芯片實(shí)現(xiàn)工具，采用 PragmatIC 的 0.8 μm 工藝實(shí)現(xiàn)的。下圖 1c 展示了 FlexIC 的布局，從中可以看出 Cortex-M 處理器、RAM 和 ROM 的分布。PlasticARM 是使用一條名為「FlexLogIC」的商業(yè)「fab-in-a-box」生產(chǎn)線制造的，其 die 顯微圖像如下圖 1d 所示。