【突破】ARM用塑料造芯片，全球首個(gè)柔性原生32位微處理器問世

近日，科學(xué)期刊英國(guó)《Nature》雜志發(fā)表了一項(xiàng)電子行業(yè)最新突破性技術(shù)進(jìn)展：由Arm公司領(lǐng)銜，聯(lián)合全球柔性電子產(chǎn)品供應(yīng)商PragmatIC等機(jī)構(gòu)，結(jié)合金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）和柔性聚酰亞胺（一種耐高溫的塑料），制成了全球首個(gè)柔性原生32位、基于ARM架構(gòu)、高達(dá)18334個(gè)等效門的微處理器PlasticARM。該芯片有望推動(dòng)低成本、全柔性智能半導(dǎo)體與集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

一直以來，微處理器制造所用的材料基本上都是硅，此次新材料的加入使其多了“柔”的特性，結(jié)合它的實(shí)用性，這一新成果可極大推動(dòng)智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

微處理器是每一個(gè)電子設(shè)備的核心，包括智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、路由器、服務(wù)器、汽車，以及最近組成物聯(lián)網(wǎng)的智能物品。雖然傳統(tǒng)的芯片技術(shù)已經(jīng)在地球上的每一個(gè)“智能”設(shè)備中嵌入了至少一個(gè)微處理器，但它面臨著讓日常物品更智能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，比如瓶子、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等等。成本是阻礙傳統(tǒng)硅技術(shù)在這些日常用品中可行的最重要因素。雖然芯片制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)有助于大幅降低單位成本，但微處理器的單位成本仍然高得令人望而卻步。此外，硅芯片并不是天然的薄、柔韌性和一致性，而這些都是這些日常用品中嵌入電子產(chǎn)品的非常理想的特性。

另一方面，柔性電子產(chǎn)品確實(shí)提供了這些令人滿意的特性。在過去的20年里，柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到提供成熟的低成本、薄的、柔性和兼容的設(shè)備，包括傳感器、存儲(chǔ)器、電池、發(fā)光二極管、能量采集器、近場(chǎng)通信/射頻識(shí)別和打印電路，如天線。這些是構(gòu)建任何智能集成電子設(shè)備的基本電子元件。缺失的部分是柔性微處理器，目前還不存在可行的柔性微處理器的主要原因是，為了執(zhí)行有意義的計(jì)算，需要將相對(duì)大量的TFT集成在柔性襯底上，這在以前的TFT技術(shù)中是不可能的。在這種技術(shù)中，在進(jìn)行大規(guī)模集成之前需要一定程度的技術(shù)成熟度。

中間方法是將基于硅的微處理器芯片集成到柔性襯底上，也稱為混合集成，其中硅片變薄，芯片集成到柔性襯底上。雖然薄硅芯片集成提供了一個(gè)短期的解決方案，但該方法仍然依賴于傳統(tǒng)的高成本制造過程。因此，要在未來10年乃至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)數(shù)十億日常智能物品，這不是一個(gè)可行的長(zhǎng)期解決方案。

塑料也能成為芯片材料

近50年前，英特爾創(chuàng)造了世界上第一個(gè)可商業(yè)量產(chǎn)的微處理器——Intel 4004，這是一個(gè)僅4位的CPU（中央處理單元），具有2300個(gè)晶體管，使用10um工藝技術(shù)在硅基材料中制造，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算計(jì)算。

自從取得這一突破性成就以來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，目前最先進(jìn)的硅64位微處理器現(xiàn)在擁有 300 億個(gè)晶體管（例如亞馬遜的AWS Graviton2微處理器，使用 7 納米工藝技術(shù)制造)。

微處理器現(xiàn)在深深地嵌入我們的文化中，以至于它已成為一項(xiàng)元發(fā)明——也就是說，它是一種允許實(shí)現(xiàn)其他發(fā)明的工具。

Nature發(fā)表的這種32 位 Arm（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算 (RISC) 架構(gòu)）微處理器，在柔性基板（我們稱為 PlasticARM）上采用金屬氧化物薄膜晶體管技術(shù)開發(fā)。

與主流半導(dǎo)體行業(yè)不同，柔性電子產(chǎn)品在一個(gè)通過超薄外形、一致性、極低成本和大規(guī)模生產(chǎn)潛力與日常物品無縫集成的領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)行。

與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件不同，柔性電子器件構(gòu)建在紙張、塑料或金屬箔等基板上，并使用有機(jī)物或金屬氧化物或非晶硅等有源薄膜半導(dǎo)體材料。

與晶體硅相比，它們具有許多優(yōu)勢(shì)，包括薄度、一致性和低制造成本。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(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 低得多。TFT 技術(shù)的目標(biāo)不是取代硅。隨著這兩種技術(shù)的不斷發(fā)展，硅很可能會(huì)在性能、密度和功率效率方面保持優(yōu)勢(shì)。

微處理器是每個(gè)電子設(shè)備的核心，包括智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、路由器、服務(wù)器、汽車，以及最近構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的智能對(duì)象。盡管傳統(tǒng)的硅技術(shù)已將至少一個(gè)微處理器嵌入到地球上的每一個(gè)“智能”設(shè)備中，但它面臨著使日常物品變得更智能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如瓶子（牛奶、果汁、酒精或香水）、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等等。成本是阻礙傳統(tǒng)硅技術(shù)在這些日常用品中可行的最重要因素。盡管硅制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)有助于顯著降低單位成本，但微處理器的單位成本仍然高得令人望而卻步。此外，硅芯片并不是天生的薄、柔韌和貼合。

另一方面，柔性電子產(chǎn)品確實(shí)提供了這些理想的特性。在過去的 20 年中，柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到提供成熟的低成本、薄型、柔性和適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)備，包括傳感器、存儲(chǔ)器、電池、發(fā)光二極管、能量收集器、近場(chǎng)通信/射頻識(shí)別和印刷電路比如天線。這些是構(gòu)建任何智能集成電子設(shè)備的基本電子元件。缺少的部分是靈活的微處理器。尚不存在可行的柔性微處理器的主要原因是，需要在柔性基板上集成相對(duì)大量的 TFT 以執(zhí)行任何有意義的計(jì)算。這在新興的柔性 TFT 技術(shù)以前是不可能的。

的中途的方法是基于硅的微處理器管芯集成到柔性基板-也稱為混合集成where晶片減薄的硅和金屬模具從晶片被集成到柔性基板。盡管薄硅芯片集成提供了一種短期解決方案，但該方法仍然依賴于傳統(tǒng)的高成本制造工藝。因此，它不是一個(gè)可行的長(zhǎng)期解決方案，可以在未來十年及以后生產(chǎn)數(shù)十億件日常智能物品。

Arm團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出全球首個(gè)柔性原生32位、基于ARM架構(gòu)的微處理器PlasticARM

Nature發(fā)表的這篇研究成果是由Arm Ltd公司的科研團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜?；谛碌暮铣刹牧?，新的指令集架構(gòu)，通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)芯片實(shí)現(xiàn)工具的PragmatIC 0.8μm工藝，Arm團(tuán)隊(duì)由此設(shè)計(jì)出全球首個(gè)柔性原生32位、基于ARM架構(gòu)的微處理器PlasticARM。

在合成材料部分，與在硅晶圓上制造硅基晶體管 (MOSFET) 不同的是，Arm公司團(tuán)隊(duì)使用了一種“非晶硅”的新型材料?；诤穸刃∮?0 μm的聚柔性聚酰亞胺（一種耐高溫的塑料）襯底上，利用PragmatIC的FlexIC 0.8μm工藝，與金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）結(jié)合構(gòu)成柔性微處理器。所有關(guān)鍵部件——32位CPU處理器、RAM、ROM 和互連——均使用非晶硅制成，并在柔性聚合物上制造。

這并非是完全放棄硅基的晶體管，而是基于“硅”材料技術(shù)加上柔性特質(zhì)。該研究的合作者、PragmatIC技術(shù)高級(jí)副總裁Catherine Ramsdale解釋指，雖然材料是新的，但其與Arm團(tuán)隊(duì)的想法是，盡可能多地借鑒硅芯片的生產(chǎn)過程，與硅器件的一致性是關(guān)鍵，這樣更容易批量生產(chǎn)芯片并降低成本。

據(jù)悉，非晶硅材料以有序原子陣列的形式存在，可用作太陽能電池板和液晶顯示器等，價(jià)格上也很便宜，加工技術(shù)更簡(jiǎn)單，還可以縮小到規(guī)模化集成所需的較小尺寸。比如，PlasticARM的CPU部分面積大幅減少約3倍，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)29kHz，功耗僅為21mW。

根據(jù)論文所述，PlasticARM的面積為59.2平方米，其中處理器面積占45%，存儲(chǔ)器占33%，外設(shè)占22%。并且，“PlasticARM”處理器擁有更多晶體管，包含18,334個(gè)NAND2等效邏輯門，比此前金屬氧化物薄膜晶體管構(gòu)成的最佳柔性集成電路多12倍的邏輯門。這使PlasticARM成為迄今為止最復(fù)雜的柔性集成電路FlexIC技術(shù)。

研究人員表示，這一纖薄、低成本的柔性微處理器或可為日用品的智能化開拓道路。

除了制造部分，在指令集架構(gòu)上PlasticARM也做了諸多創(chuàng)新。Arm公司與PragmatIC合作，聯(lián)合研發(fā)出一種32位Arm Cortex-M0+處理器指令集版本，可以執(zhí)行ARM Thumb指令的簡(jiǎn)化子集，甚至兼容Armv6-M架構(gòu)中的Arm Cortex-M類處理器。并且，研究人員還針對(duì)小型和低功耗使用進(jìn)行了優(yōu)化，讓其用作嵌入式處理器，實(shí)現(xiàn)最小能耗。

據(jù)了解，厄澤爾所在的Arm研發(fā)團(tuán)隊(duì)已計(jì)劃下一步改進(jìn)、升級(jí)迭代PlasticARM處理器產(chǎn)品，主要涉及降低功耗等。此外，研究人員還希望下一代處理器的等效邏輯門數(shù)提高到10萬以上。

摩爾定律不太可能適用于塑料芯片
該研究的合著者兼PragmatIC技術(shù)高級(jí)副總裁Catherine Ramsdale表示，與硅器件的一致性是關(guān)鍵，該公司與Arm一起設(shè)計(jì)和生產(chǎn)柔性芯片。雖然材料是新的，但其想法是盡可能多地借鑒硅芯片的生產(chǎn)過程。這樣，更容易批量生產(chǎn)芯片并降低成本。Ramsdale表示，這些芯片的成本可能是同類硅芯片的十分之一，因?yàn)樗芰媳阋饲以O(shè)備需求減少。她說，是的，這是一種“務(wù)實(shí)”的處事方式。

斯坦福大學(xué)(Stanford University)的電氣工程師埃里克·波普(Eric Pop)沒有參與這項(xiàng)研究，他說，這種芯片的復(fù)雜性及其包含的晶體管數(shù)量給他留下了深刻印象。

“這推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步，”他說。但實(shí)用主義也有局限性。最清楚的是這個(gè)設(shè)備消耗了多少能量。該芯片消耗21毫瓦的能量，但其中只有1%用于執(zhí)行計(jì)算;其余的都被浪費(fèi)了，因?yàn)樾酒幱陂e置狀態(tài)。他解釋說，在戶外，用一個(gè)比郵票還小的太陽能電池就可以生產(chǎn)這種芯片——換句話說，不是很多——但隨著柔性芯片變得越來越復(fù)雜，這并不是提高效率的好起點(diǎn)?！澳阋鍪裁?，把自己連到一個(gè)巨大的電池上嗎?”流行問道。

邁爾斯說，這些小型芯片的計(jì)劃是使用類似于智能手機(jī)支付的無線充電技術(shù)。但他承認(rèn)芯片需要更節(jié)能——他相信在一定程度上是可以做到的。他說，目前的設(shè)計(jì)可以做得更小、更高效，也許足夠擴(kuò)大到10萬個(gè)閘門。但這可能是極限。原因是它的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單。晶體管有兩種形式，稱為“N”和“P”。它們是互補(bǔ)的。有電壓時(shí)打開，沒有電壓時(shí)關(guān)閉;另一種則相反。Arm芯片泄漏這么多能量的一個(gè)原因是它只有N型。使用Arm和PragmatIC選擇的材料，P型晶體管的設(shè)計(jì)難度更大。

縮放的一個(gè)選擇是轉(zhuǎn)向其他柔性材料，如碳納米管，因?yàn)檫@兩種材料都更容易制造。波普實(shí)驗(yàn)室正在研究的另一種選擇是，使用在剛性襯底上制造的二維材料，然后轉(zhuǎn)移到柔性材料上，以減少晶體管的尺寸和功率需求。在這兩種情況下，代價(jià)可能都是制造成本的增加。

Subhasish Mitra在斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的第一個(gè)示范2013年碳納米管電腦,說,雖然手臂的設(shè)計(jì)似乎不展示任何理論上的突破,研究人員似乎產(chǎn)生了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備制造和用于實(shí)際應(yīng)用。“時(shí)間會(huì)告訴我們應(yīng)用程序開發(fā)者將如何利用這一點(diǎn)，”Mitra說?！拔艺J(rèn)為這是令人興奮的部分?！?/p>

哪種柔性材料最終有意義將取決于芯片需要如何使用，波普解釋說。例如，硅并不總是注定要成為我們?cè)O(shè)備的核心。有一段時(shí)間，科學(xué)家們認(rèn)為這可能是鍺——一種比硅更優(yōu)越的半導(dǎo)體元素。但它并不叫“鍺谷”。硅更容易獲得，在某些方面也更容易設(shè)計(jì)。廉價(jià)的柔性芯片還處于早期階段。我們需要紙質(zhì)電子產(chǎn)品的可回收性嗎?碳納米管的潛在功率和規(guī)模?或許我們只是需要塑料的實(shí)用性。

也許摩爾定律不太可能適用于塑料芯片。拉姆斯代爾說:“我們并不是在尋找硅能出色發(fā)揮作用的市場(chǎng)?！痹摴局饕塾凇肮璞挥行У剡^度設(shè)計(jì)”的用途。在硅領(lǐng)域，對(duì)更強(qiáng)大設(shè)備的需求推動(dòng)了規(guī)模和功率的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。裝在牛奶盒里的電腦芯片也是這樣嗎?也許回到上世紀(jì)80年代就足夠了。

我們?cè)O(shè)想，PlasticARM將率先開發(fā)低成本、完全靈活的智能集成系統(tǒng)，使“萬物互聯(lián)”成為可能，包括在未來10年將超過一萬億無生命物體集成到數(shù)字世界中。為日常用品提供超薄、兼容、低成本、天生靈活的微處理器將帶來創(chuàng)新，從而帶來各種研究和商業(yè)機(jī)會(huì)。