和Arm登Nature，在塑料上造蘋果電腦芯片，這家芯片創(chuàng)企背后還有華人科學(xué)家

作者 |  高歌
編輯 |  Panken
芯東西9月30日報(bào)道，最近一段時(shí)間，英國芯片廠商PragmatIC開始頻繁出現(xiàn)在行業(yè)的視線中。該公司先是與Arm合作在學(xué)術(shù)頂刊Nature上發(fā)表了基于Arm Cortex-M0的柔性片上系統(tǒng)（SoC），之后又開始制造曾用于任天堂FC游戲機(jī)、Apple I電腦、文曲星學(xué)習(xí)機(jī)的6502處理器柔性版。和傳統(tǒng)芯片不同，PragmatIC制造的柔性芯片可以建立在紙、塑料或金屬箔等基板上，其成本和薄厚都優(yōu)于現(xiàn)有芯片。事實(shí)上，PragmatIC的柔性集成電路（FlexIC）生產(chǎn)周期最短不到一天，每年可生產(chǎn)數(shù)十億片，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)晶圓廠生產(chǎn)效率。6502處理器創(chuàng)造者之一的Bill Mensch也在采訪中表達(dá)了對柔性6502處理器的興奮和激動(dòng)。他認(rèn)為這使6502處理器煥發(fā)了新的活力。芯東西將起底這家頻繁露臉的柔性芯片廠商，揭示柔性芯片的行業(yè)潛力。

PragmatIC前身來自曼徹斯特大學(xué)

如果要回顧PragmatIC的創(chuàng)建歷史，還要從一位華人學(xué)者講起。1995年，宋愛民從中科院半導(dǎo)體所取得博士學(xué)位。博士畢業(yè)后，他輾轉(zhuǎn)于英國格拉斯哥大學(xué)、德國慕尼黑大學(xué)和瑞典隆德大學(xué)。2002年宋愛民在曼徹斯特大學(xué)任講師職位，4年后，38歲的他被破格升為終身教授。

宋愛民的研究重點(diǎn)就是新型納米電子器件和可印刷薄膜電子學(xué)。2006年，他所帶領(lǐng)的研究小組拆分，成立了Plastic ePrint公司，專注于單層晶體管印刷系統(tǒng)。后來，這家公司改名為Nano ePrint，這也就是PragmatIC的前身。根據(jù)曼徹斯特大學(xué)孵化器的介紹，Nano ePrint的產(chǎn)品可用于電子賀卡、智能包裝、電子品牌等，并有在醫(yī)療、消費(fèi)等領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。2009年，Nano ePrint已實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)印刷電子產(chǎn)品10倍以上的性能和100倍以上的晶體管密度。因此，該公司獲得了英國西北地區(qū)發(fā)展署（NWDA）的資助。時(shí)任Nano ePrint首席執(zhí)行官的Scott White評論道：“這項(xiàng)特殊的資助突出了Nano ePrint方法的新穎性以及我們的印刷可編程邏輯架構(gòu)帶來的巨大市場機(jī)會(huì)?！?/span>Nano ePrint主要使用氧化鋅等金屬氧化物作為半導(dǎo)體材料，PET薄膜作為柔性基材，利用納米壓印光刻技術(shù)來制造平面晶體管和二極管。

這種工藝不需要介電材料或源極、漏極和柵極間的導(dǎo)電接觸。因此簡單的電路或功能單元可直接在半導(dǎo)體層內(nèi)實(shí)現(xiàn)相鄰器件的互連，不過復(fù)雜電路則仍需要單獨(dú)的導(dǎo)電互連層。2010年2月，Nano ePrint宣布與英國交互式印刷電子Novalia公司合作，開發(fā)生產(chǎn)印刷電子賀卡，該項(xiàng)目獲得了3個(gè)英國地區(qū)的發(fā)展機(jī)構(gòu)贊助。
搬到劍橋獲Arm、CPI支持

2010年，Scott White和Richard Price又在劍橋成立了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，這就是PragmatIC。同年，PragmatIC收購Nano ePrint，并承接了相關(guān)業(yè)務(wù)。Scott White稱，在劍橋建立新公司將帶來更多開發(fā)可能。他說：“劍橋是印刷電子的專業(yè)中心，塑料邏輯芯片、CDT、劍橋綜合知識(shí)中心和劍橋大學(xué)都位于這里。PragmatIC在劍橋擁有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的核心團(tuán)隊(duì)，他們在印刷電子和壓印技術(shù)的其他應(yīng)用方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)?！?/span>

2012年，PragmatIC獲得了英國國家高價(jià)值制造技術(shù)創(chuàng)新中心（CPI）的支持，得到了價(jià)值5000萬英鎊的生產(chǎn)設(shè)施，完善了FlexIC（柔性集成電路）的制造流程，提升了產(chǎn)品產(chǎn)能和良率。2015年1月，PragmatIC獲得劍橋創(chuàng)新資本和Arm的投資。當(dāng)時(shí)的Arm首席技術(shù)官M(fèi)ike Muller說：“我們支持PragmatIC，因?yàn)樗鼈冇锌赡茱@著擴(kuò)展嵌入式智能的外形和經(jīng)濟(jì)性范圍。我們看到了以極低的成本在日常物品中嵌入連接性和計(jì)算能力的特別令人信服的可能性。”在獲得了Arm和劍橋創(chuàng)新資本投資后，PragmatIC發(fā)展逐漸走向了快車道。同年3月，PragmatIC和IMEC等6家公司、機(jī)構(gòu)聯(lián)手組成了PING（印刷智能NFC游戲卡和包裝）聯(lián)盟，將柔性電子產(chǎn)品帶入了主流市場。該聯(lián)盟計(jì)劃在3年內(nèi)建立標(biāo)準(zhǔn)化的低成本和大批量制造流程，將無線識(shí)別和電力傳輸技術(shù)其納入到紙、塑料、包裝等柔性材料中。PragmatIC在這個(gè)聯(lián)盟中主要負(fù)責(zé)將薄膜技術(shù)、柔性芯片設(shè)計(jì)和自己的大規(guī)模柔性制造工藝相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”鋪平道路。
Arm、IMEC紛紛入局已實(shí)現(xiàn)個(gè)人電腦芯片柔性化

今年7月，Arm和PragmatIC合作的論文發(fā)表在了Nature上，雙方一起制造了一種基于Arm Cortex-M0的柔性SoC PlasticARM。其研究具備將數(shù)十億個(gè)低成本、柔性芯片嵌入到日常用品中的潛力。這顆SoC面積為59.2mm2，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)29kHz，功耗僅為21mW。PlasticARM采用了薄膜晶體管（TFT），制程為0.8μm，可以彎曲到曲率半徑為3mm的程度。

研究人員稱，PlasticARM擁有超過18000個(gè)邏輯門，比之前的柔性集成電路高12倍，是迄今為止最復(fù)雜的柔性集成電路。而在PlasticARM的基礎(chǔ)上，人們可以構(gòu)建低成本、可彎曲的智能集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。論文發(fā)表的兩天后，Arm和PragmatIC稱，雙方正在開發(fā)用于可穿戴設(shè)備的低成本、柔性心臟監(jiān)測器，其單顆監(jiān)測器的生產(chǎn)成本只有幾美分。8月，PragmatIC宣布已制造了6502處理器的柔性版本，進(jìn)一步推動(dòng)了柔性處理器的應(yīng)用前景。6502處理器是一款標(biāo)志性的處理器，于1975年代推出。喬布斯的第一款電腦Apple I就采用了這款芯片。之后，6502處理器又被Apple II、任天堂FC游戲機(jī)等設(shè)備所采用，國內(nèi)的文曲星學(xué)習(xí)機(jī)也使用了這一款芯片。PragmatIC稱，柔性6502研發(fā)出來不到兩周，就已經(jīng)進(jìn)行了第二次迭代，以優(yōu)化引腳排列、占位面積等。這樣的速度對于傳統(tǒng)的硅基芯片來說幾乎是不可能的，展示了FlexIC Foundry“改變游戲規(guī)則”的能力。6502處理器的共創(chuàng)創(chuàng)始人Bill Mensch認(rèn)為，PragmatIC所做的事情與當(dāng)時(shí)6502處理器剛剛研發(fā)出來一樣具有變革性。PragmatIC CEO Scott White稱，他最感興趣的是為往常不會(huì)和電子聯(lián)系起來的事物添加新功能和交互性。當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)市場看好的射頻識(shí)別（RFID）就是一個(gè)很好的例子。該技術(shù)可以為數(shù)十億產(chǎn)品添加唯一的無線識(shí)別ID，可以改善庫存控制。PragmatIC還可以將RFID擴(kuò)展到更廣泛的日常用品中，比如利用這一技術(shù)對塑料瓶進(jìn)行再利用和回收、對****品進(jìn)行跟蹤確保安全等。

由于柔性電子學(xué)的巨大前景，斯坦福大學(xué)、IMEC、Arm等高校和公司都在研發(fā)柔性芯片。而和PragmatIC淵源頗深的華人學(xué)者宋愛民也在2010年創(chuàng)辦了濟(jì)南嘉源電子有限公司，專注于薄膜顯示屏、智能包裝等。當(dāng)前該公司已擁有專利40余項(xiàng)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CFD薄膜顯示屏，具有可任意彎曲對折、待機(jī)時(shí)間長等特性。
結(jié)語：柔性芯片或可緩解芯片短缺

低成本的柔性芯片可以為萬物聯(lián)網(wǎng)提供基礎(chǔ)，讓飲料瓶、食品包裝、服裝、繃帶、可穿戴設(shè)備等日常用品實(shí)現(xiàn)智能化。另一方面，在全球缺芯的當(dāng)下，傳統(tǒng)晶圓廠建設(shè)周期長達(dá)2-3年。而FlexIC Foundry的建設(shè)周期僅為12個(gè)月，生產(chǎn)效率也遠(yuǎn)超傳統(tǒng)晶圓廠。當(dāng)前短缺的芯片大部分基于成熟制程，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、汽車等領(lǐng)域。對于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的低成本芯片來說，柔性集成電路生產(chǎn)工藝可以有效地降低其成本、縮短投產(chǎn)周期。未來，柔性芯片工藝制程如果進(jìn)一步提升，或許會(huì)對行業(yè)造成沖擊，改變很多芯片的生產(chǎn)模式。