柔性集成電路，未來可期

　　隨著可折疊屏幕在智能設(shè)備中的普及，柔性電子已經(jīng)逐漸進(jìn)入了主流視野。而在顯示屏之外，柔性集成電路還有很大的潛力，本文將對此做介紹和分析。

　　柔性集成電路的應(yīng)用

　　柔性電路是指在柔性基底是制造的電路，而柔性集成電路則是在柔性基底(例如聚酰亞胺，Polyimide)上實現(xiàn)的高集成度大規(guī)模電路。

　　柔性集成電路一個顯而易見的優(yōu)勢是可彎曲，甚至可折疊。這對于健康相關(guān)應(yīng)用和可穿戴設(shè)備來說都很有用，例如可以像創(chuàng)可貼一樣貼在用戶身體上的生理信號監(jiān)控產(chǎn)品中，使用可彎曲的柔性集成電路就很方便。

　　除了可彎曲之外，柔性電路的另一大優(yōu)勢是成本較基于硅的集成電路來說，成本要低很多。這一點，和上面的可彎曲相結(jié)合，有可能會成為下一代萬物智能的重要賦能技術(shù)。提起物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，大家的第一印象還是一個電子設(shè)備，售價至少要數(shù)十人民幣;而在“萬物智能”的設(shè)想中，生活中每一個物件都應(yīng)該是智能化的，包括飲料、零食、洗衣液等等，都應(yīng)該有能力可以接入物聯(lián)網(wǎng)中，而這就對于物聯(lián)網(wǎng)電子部分的成本、尺寸和可集成性等都提出了新的需求。而如前所述，柔性電子的兩大特性則正好對應(yīng)萬物智能的兩大需求：可彎曲的特性讓柔性集成電路可以很方便地集成到不同物件的表面，例如彎曲的洗衣液屏，需要被折疊的辣條包裝等等;而低成本的優(yōu)勢則可以讓加入柔性集成電路的額外成本足夠低因此可以進(jìn)入海量的物件中。由此實現(xiàn)的“萬物智能”構(gòu)想則有可能比今天的物聯(lián)網(wǎng)的智能程度更進(jìn)一步，例如基于柔性集成電路的系統(tǒng)可以檢測你的洗衣液還有多少剩余，從而在合適的時間節(jié)點給你推送需要購買的通知。而從另一個角度來看，萬物智能意味著這類集成電路的出貨量將比目前的手機(jī)等最主流的智能設(shè)備還要高幾個數(shù)量級，其潛力巨大。

　　柔性電子發(fā)展現(xiàn)狀：通信和傳感已經(jīng)逐漸成熟

　　基于薄膜(thin-film)的柔性傳感以及通信集成電路已經(jīng)有了很長的開發(fā)歷史，目前已經(jīng)逐漸接近成熟。

　　就傳感集成電路來說，目前基于薄膜電子的柔性傳感器已經(jīng)可以實現(xiàn)壓力、應(yīng)力、溫度等重要信號的傳感能力，對于可穿戴設(shè)備這樣的第一個目標(biāo)應(yīng)用已經(jīng)有了足夠的能力。但是，光有傳感器本身并不具有足夠的吸引力來說服用戶使用柔性電子，而必須要與其他的柔性模塊相配套。

　　柔性通信集成電路的研究時間比起柔性傳感器來說稍短一些，但是目前也已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步。用于通信的柔性集成電路常用的是近場通信(NFC)的原理，即利用外部的射頻能量來給通信系統(tǒng)供電并完成傳輸。目前，使用柔性基底實現(xiàn)的通信集成電路常用基于IGZO(indium gallium zinc oxide，氧化銦鎵鋅)的薄膜晶體管(TFT)，并利用TFT來完成整流、調(diào)制、時鐘產(chǎn)生以及相關(guān)的數(shù)字電路用于通信協(xié)議接口。一個基于TFT的柔性近場通信集成電路通常含有數(shù)千個TFT晶體管。

　　在有了傳感器和通信電路之后，自然就出現(xiàn)了不少把兩者集成在一起實現(xiàn)實用化的柔性集成電路系統(tǒng)的努力，包括柔性溫度傳感器加NFC實現(xiàn)實時體溫監(jiān)控等;另外也有不少使用TFT實現(xiàn)模擬電路的研究，包括較高性能的放大器等，以提升整體柔性集成電路的性能。然而，在通信和傳感之外，柔性電子目前主要的短板還是在于處理器領(lǐng)域，而具有高集成度的柔性處理器的出現(xiàn)將會將柔性電子的成熟度推上更高的一個層次。

　　ARM的研究補上了柔性電子處理器的空缺

　　最近，芯片IP巨頭ARM和英國初創(chuàng)公司PragmatIC合作研發(fā)的基于柔性TFT的32位ARM處理器則可以說是將柔性集成電路領(lǐng)域的一個重要里程碑。在七月底發(fā)布在頂級科學(xué)期刊《自然》的論文中，ARM和PragmatIC則公布了該研究的一些重要信息。

　　首先，該ARM處理器的完成度和復(fù)雜度非常高。它基于ARMv6-M架構(gòu)外加兩級流水線，可以直接跑兼容Cortex-M0的程序。在模塊方面，它事實上是一個SoC，除了CPU之外，還包括了互聯(lián)接口(AHB-Lite)、ROM和RAM。其等價邏輯門數(shù)高達(dá)18000，比前述的由上千個TFT組成的柔性集成電路的規(guī)模大了一個數(shù)量級。處理器的時鐘頻率可以達(dá)到29KHz，功耗則為21mW。

　　此外，在設(shè)計流程和制造工藝方面，使用了PragmatIC提供的工藝技術(shù)(FlexLogIC)。該技術(shù)使用了IGZO TFT晶體管，晶元尺寸為200mm，而晶體管溝道尺寸(特征尺寸)則為0.8um，供電電壓為3V，可用的金屬層數(shù)為4層。在論文中，研究者估計基于同樣的TFT器件，預(yù)計可以繼續(xù)進(jìn)化到支持十萬門數(shù)量級的柔性集成電路，離目前的萬門處理器還有至少一個數(shù)量級的上升空間。PragmatIC還提供了該工藝對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)單元庫和工藝庫(SDK)，其中標(biāo)準(zhǔn)單元庫中提供了常見的邏輯門(反相器、與非門，寄存器等)，而標(biāo)準(zhǔn)單元庫和SDK搭配則可以直接兼容標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字EDA流程(包括邏輯綜合，布局布線和時序優(yōu)化等)，因此整套設(shè)計流程已經(jīng)非常接近商用化。

　　柔性集成電路的未來

　　與硅基CMOS電路目前已經(jīng)接近摩爾定律的瓶頸不同，柔性集成電路目前還處于摩爾定律發(fā)展曲線的初期，因此未來無論是集成度、性能還是功耗方面都可望會有很大的提升空間。根據(jù)歐洲頂尖半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)IMEC在《自然·電子學(xué)》發(fā)表的柔性集成電路的展望論文《The development of flexible integrated circuits based on thin-film transistors》，當(dāng)未來的柔性集成電路的特征尺寸發(fā)展到200nm左右(即目前主流1um左右特征尺寸的五分之一到十分之一)時，其電路性能可望達(dá)到目前的20倍以上，而功耗則可以達(dá)到目前的一百分之一。到那個時候，我們可望可以看到功能更強大的柔性集成電路SoC(包括傳感、處理和通信系統(tǒng))，從而真正賦能下一代“萬物智能”時代，讓智能化走入所有日常物件。

　　歐洲的機(jī)構(gòu)在柔性集成電路的研究領(lǐng)域有非常高的熱情。英國芯片IP巨頭ARM在柔性集成電路研究領(lǐng)域做了非常多的投資，并且主導(dǎo)了一系列具有前瞻性的研究。除了這次發(fā)表的首個柔性32位ARM處理器之外，ARM在這之前還發(fā)表了一系列基于柔性集成電路的工作，包括基于TFT的機(jī)器學(xué)習(xí)加速器等等。另外，IMEC在柔性集成電路領(lǐng)域也有很多重要的工作。目前，中國的TFT相關(guān)產(chǎn)業(yè)在顯示領(lǐng)域有京東方這樣的領(lǐng)軍企業(yè)，擁有不錯的底子，希望能在柔性集成電路領(lǐng)域的研究在未來幾年能有更多投入，從而當(dāng)柔性集成電路成為主流時，中國的相關(guān)產(chǎn)業(yè)也能成為領(lǐng)軍企業(yè)。