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塑料造芯片?原生32位Arm微處理器問世!

近日,《自然》雜志刊登的一篇文章顯示,領銜開發出了一種32位Arm微處理器,該處理器基于柔性基板(PlasticARM),采用金屬氧化物薄膜晶體管技術開發。



與傳統半導體器件不同,柔性電子器件構建在紙張、塑料或金屬箔等基板上,并使用有機物或金屬氧化物或非晶硅等有源薄膜半導體材料,與晶體硅相比,它們具有許多優勢,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體場效應晶體管 (MOSFET) 低得多。

與傳統硅技術相比,更具超薄、低成本等優勢


微處理器是每個電子設備的核心,包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦、路由器、服務器、汽車,以及物聯網,盡管傳統的硅技術已將至少一個微處理器嵌入到地球上的每一個“智能”設備中,但它面臨著使日常用品變得更智能的關鍵挑戰,例如瓶子、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等等。
成本是阻礙傳統硅技術在這些日常用品中可行的最重要因素,盡管硅制造的規模經濟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,柔性電子產品卻可以提供這些理想性能。在過去的20年中,柔性電子產品已經發展到提供成熟的低成本、薄型、柔性和適應性強的設備,包括傳感器、存儲器、電池、發光二極管、能量收集器、近場通信/射頻識別和印刷電路比如天線,這些是構建任何智能集成電子設備的基本電子元件。
然而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大量的TFT以執行任何有意義的計算,這在新興的靈活TFT技術中是不可能實現的,在大規模集成之前,需要一定程度的技術成熟度。
一種中間方法是將硅基微處理器芯片集成到柔性基板上,也稱為混合集成,其中硅片被減薄并且來自硅片的管芯被集成到柔性襯底上。雖然薄硅芯片集成提供了一個短期的解決方案,但這種方法仍然依賴于傳統的高成本制造工藝。因此,它并不是一個可行的長期解決方案,無法在未來十年甚至更長時間內生產出數十億個日常智能物體。
該團隊的方法是使用靈活的電子制造技術開發微處理器,也稱為本機靈活的處理引擎,用來構建此處描述的原生柔性微處理器的柔性電子技術由聚酰亞胺基板上的金屬氧化物TFT組成。金屬氧化物TFT成本低,也可以縮小到大規模集成所需的較小幾何形狀。

PlasticARM微處理器有助于未來實現萬物互聯


該處理器是一個SoC,包含一個32位Arm Cortex-M CPU 和一個嵌套向量中斷控制器 (NVIC),并通過互連結構 (AHB-LITE) 連接到內存,外部總線接口提供通用輸入輸出 (GPIO) 接口以與測試框架進行片外通信。ROM包含456字節的系統代碼和測試程序,并已實現為組合邏輯,128字節的RAM已實現為基于鎖存器的寄存器文件,主要用作堆棧。

圖:PlasticARM的系統架構
圖1b顯示了PlasticARM中使用Cortex-M和Arm Cortex-M0+ 的比較。盡管PlasticARM中的Cortex-M處理器不是標準產品,但它實現了支持16位Thumb和32位Thumb指令集架構子集的Armv6-M架構,因此它與所有Cortex- M 類處理器,包括 Cortex-M0+,屬于同一架構系列。
PlasticARM中的Cortex-M和Cortex-M0+之間的關鍵區別在于,我們將SoC中RAM的特定部分分配給CPU寄存器(約64字節),并將它們從CPU移到PlasticARM中Cortex-M中的RAM,而在Cortex-M0+中,寄存器保留在其CPU 中,通過從CPU中消除寄存器并使用現有的RAM作為寄存器空間,實現了CPU面積的大幅減少(約3倍)。
這款32位微處理器PlasticARM,采用0.8微米金屬氧化物TFT技術制造。由于它與Armv6-M架構中的Arm Cortex-M類處理器兼容,它可以搭載現有的軟件/工具支持(例如編譯器),因此無需開發軟件工具鏈。它是迄今為止使用金屬氧化物TFT構建的最復雜的柔性集成電路,包括超過18,000個門,至少比以前最好的集成電路高12倍。
PlasticARM將率先開發低成本、完全靈活的智能集成系統,以實現“萬物互聯”,包括在未來十年內將超過一萬億個無生命物體集成到數字世界中,擁有一個超薄的、舒適的、低成本的、天生靈活的微處理器來處理日常用品,將會帶來各種各樣的研究和商業機會。


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