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全球首个塑料ARM芯片登上Nature,成本仅同类硅芯片1/10

2021-07-29
来源:物联网智库

  塑料也能用于造芯片?
  是的,你没听错!
  ARM公司宣布他们用一种塑料和薄膜晶体管制成了一种新的处理器PlasticArm。(图为显微镜下的照片)

  该处理器是全球首个柔性原生32位、基于ARM架构、高达18334个等效门的微处理器。
  其生产过程不涉及到硅元素,生产成本大概为同类硅芯片的1/10。
  而这一柔软灵活、低成本的微处理器将在物联网设备中派上用场。
  成果现已发表在Nature:

  塑料也可成为芯片材料
  目前,几乎所有电子设备的微处理器都采用硅材料制成。
  而研究人员将目光转移到了塑料材料,是因为硅有着易碎、不够灵活、不耐压力等缺点,这限制了其在日常用品智能化上的可行性。
  新的处理器用的塑料叫做聚酰亚胺,号称“柔术大师”,其弯曲性,灵活度、可变性很高,也是一种耐高温的塑料,可折叠屏智能手机上就有它的应用。
  并采用金属氧化物薄膜晶体管(TFT)技术开发。
  薄膜晶体管主要应用于液晶显示器LCD和有机发光半导体OLED中。
  制作方法为在厚度小于30μm的柔性聚酰亚胺衬底上,利用PragmatIC公司的FlexIC 0.8μm工艺,与IGZO薄膜晶体管结合,最终制成该柔性微处理器。
  IGZO:氧化铟镓锌,一种LCD薄膜晶体管显示器技术,在一些高端手机上使用,比OLED屏高级,但产量不及OLED。

  可以看出,这仍然是一种光刻工艺,采用了旋涂和光刻胶技术。
  最终PlasticARM有13个材料层和4个可布线的金属层。
  由32位Arm Cortex-M0+处理器衍生,可以说是M0+的全功能非硅版本。
  它完全支持ARMv6-M系列架构,为Cortex-M0+处理器生成的代码也可以该处理器上运行。
  并与所有其他Cortex-M系列二进制兼容,与常规Cortex-M0+一样,具有16位Thumb ISA和32位Thumb子集,数据和地址宽度均为32位,支持86条指令。

  而它与硅制M0+内核的关键区别在于其寄存器不在CPU内,而是映射到RAM中。
  通过从CPU中删除寄存器并使用现有RAM作为寄存器空间,此举以降低寄存器访问速度为代价,实现了CPU面积约3倍的缩减。
  PlasticARM的主要参数如下:

  尺寸为59.2mm2(7.536X7.856,无焊盘),厚度不到30微米,包含56340个器件(n型TFT与电阻器)、18334个NAND2等效门,这数量比目前最好的集成电路高12倍(对比见后面的表格)。
  处理器的时钟频率为29kHz,消耗功率为21mW(>99%的静态功率,45%处理器,33%内存,22%IO)。
  这听起来可能很小,但在标准硅上实现的M0+只需要10mW多一点就能达到1.77MHz。
  另外,SoC芯片引脚一共28针,包括时钟、复位、GPIO、电源等引脚。

  成本更低,可用于物联网设备
  与ARM一起设计和生该芯片的公司PragmatIC表示,虽然用的材料是新的,但他们在尽可能多地借鉴硅芯片的生产过程。这样就能实现降低成本批量生产。
  而这些芯片的成本大概是同类硅芯片的十分之一。
  斯坦福大学的电气工程师评价道,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。
  但它也还有局限性: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。

  该工程师表示,没准可以换别的柔性材料来降低尺寸和功率,比如碳纳米管,当然这会提高成本。
  总而言之,哪种柔性材料最终有意义将取决于芯片的应用场景,硅并不总是注定要成为所有电子设备的核心。

        因此,研究人员也计划将PlasticARM率先用来开发低成本、足够灵活的智能集成系统,实现“万物互联”,在未来十年内将超过一万亿个无生命物体集成到数字世界中。




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