超越硅元素：Arm發(fā)布塑料芯片，研究登上Nature

發(fā)布人：機器之心時間：2021-07-25 來源：工程師

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

在光計算芯片、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(chǎn)出了全球應用最廣泛的處理器架構 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 等機構的研究人員在最近的一項研究中表示，他們嘗試將芯片電路和組件打印在塑料基板上，就像打印機在紙上打印墨水一樣。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03625-w

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現(xiàn)，大幅降低了生產(chǎn)成本。據(jù)介紹，該技術可以讓數(shù)以億計的日常生活用品（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、手表等各種電器和可穿戴設備上。然而這種應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)十個復雜的化學和機械過程，從原材料到出廠需要長達八周的時間。

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行一系列程序，但目前它使用的是只讀處理器，因此只能運行內(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。

「我們還在尋找應用，就像 20 世紀 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?！?/p>

在柔性芯片領域，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)量相當于之前最好的柔性芯片組件數(shù)的 12 倍，其計算性能大大提高。

打印在塑料薄膜上的計算機處理器。

柔性處理器：真正的 IoT 芯片？

與傳統(tǒng)硬質(zhì)的半導體器件不同，柔性芯片構建在紙張、塑料或金屬箔等基板上，并使用有機物、金屬氧化物或非晶硅等有源薄膜半導體作為材料。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體場效應晶體管 (MOSFET) 要低得多。

不過，TFT 技術的目標不是取代硅。隨著這兩種技術的繼續(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現(xiàn)的低成本，從而顯著擴展「芯片」這一概念的應用范圍。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，我們身邊越來越多的設備正在走向智能化，但還有很多日常物品還面臨著關鍵挑戰(zhàn)，如水杯、食品包裝、衣服、貼紙、繃帶等。成本是阻礙傳統(tǒng)硅技術在日常用品中可用的最重要因素。盡管芯片制造規(guī)?；兄诮档蛦挝怀杀荆珜τ谶@些應用更加廣泛的物件來說仍然相去甚遠。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、柔性和高適應性設備，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)電子設備的基礎，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)行有意義的計算，這在新興的柔性 TFT 技術出現(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制造的，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(guī)模集成。

早期的原生柔性處理器相關工作是基于使用低溫多晶硅 TFT 技術開發(fā) 8 位處理器，這種技術制造成本高，橫向可擴展性差。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晶體管構造的 16 位 RISC-V CPU。然而，這兩項工作都是在傳統(tǒng)的硅片上進行的，而不是在柔性基板上。

構建基于金屬氧化物 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 中的原生柔性機器學習硬件。盡管該硬件擁有由金屬氧化物 TFT 構造的最復雜的柔性集成電路（FlexIC），邏輯門數(shù)達到 1400，但 FlexIC 不是微處理器。

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

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 外圍設備；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 構造的。

32 位處理器源自支持 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(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)存儲器運行程序。PlasticARM 包含 18334 個 NAND2 等價門，這使其成為最復雜的 FlexIC，復雜程度至少是之前同類集成電路的 12 倍。

PlasticARM 的芯片架構如下圖 1a 所示。它是一個由 32 位處理器組成的 SoC。該處理器完全支持 Armv6-M 指令集架構，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)標準芯片實現(xiàn)工具，采用 PragmatIC 的 0.8 μm 工藝實現(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。