塑料芯片誕生！Arm發(fā)布首款柔性原生32位微處理器

近日，英國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司Arm設(shè)計(jì)出了一種采用全新外觀尺寸的微控制器。值得注意的是，Arm這一次沒有采用硅作為基底，而是采用了塑料的處理器核心。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)研究了近十年，如今Arm終于等到了能夠?qū)崿F(xiàn)該設(shè)計(jì)的制造方法，并發(fā)布在“自然”雜志題為《一種天生柔性的32位Arm微處理器》的研究論文中。

據(jù)悉，這款全新發(fā)布的PlasticArm M0新型塑料芯片原型，可以直接在紙張、塑料或織物上打印電路。如此一來，只需要非常低廉的成本就可以更輕易的實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的世界。

塑料如何能成為芯片材料？

歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，處理器也實(shí)現(xiàn)了從大體積到微型化，從剛性到柔性的跨越式發(fā)展。微處理器是眾多電子設(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。

硅基芯片技術(shù)的普及，已經(jīng)嵌入到了地球上的每一個(gè)“智能”設(shè)備中，但硅基芯片技術(shù)也面臨著一些難題，比如如何將其布置在諸如瓶子、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等日常物品上，讓它們也能實(shí)現(xiàn)智能化？采用傳統(tǒng)的硅基芯片技術(shù)在成本上帶來了極大的阻礙。此外，硅基芯片技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)薄、柔韌等特性，在這些具有一定曲度或者柔軟度的物品身上難以實(shí)現(xiàn)高度貼合。

柔性電子材料的出現(xiàn)，為解決上述難題提供了新的思路。在《自然》雜志發(fā)表的這篇論文中提到，Arm與PragmatIC 合作，做出了Arm最受歡迎的微控制器之一M0的完全實(shí)用的非硅版本。

據(jù)介紹，Arm柔性芯片的微處理器PlasticARM M0是采用柔性電子制造技術(shù)制造的，設(shè)計(jì)有128字節(jié)的RAM和456字節(jié)的ROM，還支持32位Arm微架構(gòu)。Arm在不到60平方毫米的芯片上集成了56340個(gè)組件，這個(gè)數(shù)量比目前最先進(jìn)的塑料芯片設(shè)計(jì)強(qiáng)大12倍，計(jì)算性能大幅提高。

該處理器采用聚酰亞胺基板，通過薄膜金屬氧化物晶體管（比如IGZO TFT）做成。這意味著這從技術(shù)上來說仍然是光刻工藝，使用旋涂和光刻膠技術(shù)，最后做出來的處理器有13道材料層和4道可布線的金屬層。然而，由于自使用IGZO屏幕以來TFT設(shè)計(jì)已經(jīng)很普遍，因此生產(chǎn)成本仍很低。

PlasticArmM0設(shè)計(jì)使用56340器件，該器件結(jié)合了39157個(gè)薄膜n型晶體管和17183個(gè)電阻器。論文稱，由于這種設(shè)計(jì)的目的是沒有任何物理添加的電阻器，這么多層內(nèi)在TFT層面部署電阻器需要使用電阻更高的光刻材料，以實(shí)現(xiàn)尺寸更小?？傮w而言，論文預(yù)測(cè)了18334個(gè)NAND2門的同等硅設(shè)計(jì)。PlasticArmM0核心在29 kHz下的總功耗為21 mW，其中99％是靜態(tài)功耗（45％用于核心、33％用于內(nèi)存、22％用于IO）。處理器上的28個(gè)引腳用于時(shí)鐘信號(hào)生成、復(fù)位、GPIO、電源和調(diào)試。

PlasticArm M0的芯片架構(gòu)如下圖：

其核心支持ARMv6－M架構(gòu)，16位Thumb ISA與32位Thumb子集相結(jié)合。相比于采用臺(tái)積電90nm工藝的硅Cortex M0而言，PlasticArm M0與傳統(tǒng)Cortex M0一樣，數(shù)據(jù)寬度和地址寬度均為32位，循序設(shè)計(jì)是2級(jí)流水線，核心支持x86指令。但重點(diǎn)區(qū)別在于，PlasticArm M0寄存器文件不是在CPU內(nèi)部，而是映射到128字節(jié)的DRAM組；此外，PlasticArm M0使用對(duì)等的800nm TFT工藝，核心尺寸為59.2 mm2（7.536mm x 7.856mm）。這使得塑料M0核心的大小大約是標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)核心的1500倍。另一大區(qū)別是主頻——研究論文指出，塑料M0在3V輸入電壓下的主頻約20kHz至29kHz；在Arm自己的設(shè)計(jì)文檔中，采用針對(duì)功率而非頻率進(jìn)行優(yōu)化的180nm超低泄漏工藝的M0其主頻為50 MHz。主頻相差1600倍至2500 倍。

顯然，PlasticArm M0或許不是最快或最高效的，但卻是最具柔性的，由于塑料芯片既柔軟又便宜的特性，它幾乎可以被印在任何地方。比如PlasticArm M0使用的金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）不同于使用脆弱硅基板的處理器，即使是打印在具有一定曲度的表面上也不會(huì)降解，在塑料和紙張等材料上廉價(jià)打印處理器的可能性得到了提高。

短期內(nèi)無法取代硅基處理器

當(dāng)然，基于塑料的芯片也有一定缺陷，它們?cè)谀茉聪摹⒚芏群托阅芊矫嫘侍?。比如PlasticArm M0消耗21毫瓦的電力，但其中99％都被浪費(fèi)了，只有1％被用于計(jì)算。該芯片的面積也比較大，為59.2平方毫米，這大約是基于硅的Cortex M0處理器的1500倍大小。芯片面積大還有可能造成的另外一個(gè)問題是，處理器不論是在靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)下都會(huì)產(chǎn)生熱量，通常來說，靜態(tài)功耗隨著芯片制程工藝的提升，晶圓上的漏電流相應(yīng)也在增加；而動(dòng)態(tài)功耗主要在晶體管開關(guān)的瞬間產(chǎn)生，會(huì)隨著晶體管數(shù)量和開關(guān)頻率（計(jì)算頻率）顯著提升。而對(duì)于PlasticArm M0這么一款采用塑料材料打造的芯片來說，芯片工作過熱時(shí)也有可能出現(xiàn)內(nèi)部有器件短路導(dǎo)致芯片供電電流增大等情況。

不過，這一點(diǎn)研究團(tuán)隊(duì)的成員也考慮到了，Arm研究工程師詹姆斯·邁爾斯表示，PlasticArm M0的速度不會(huì)很快，也不屬于節(jié)能芯片，但可以考慮將其放在生菜上進(jìn)行保質(zhì)期跟蹤；同時(shí)我們還在尋找其他用途，比如智能包裝，充當(dāng)氣體傳感器以便于告訴人們這個(gè)東西是否安全，還能不能吃；亦或是將其用在可穿戴健康貼片上，這些都是科研團(tuán)隊(duì)目前正在考慮的方向。

柔性電子技術(shù)大有可為

實(shí)際上，不論是柔性芯片，還是現(xiàn)在經(jīng)常能見到的柔性屏幕、柔性電極，都是柔性電子技術(shù)的一種。只要是信息技術(shù)所涉及的傳感、信息傳輸、信息處理、能源存儲(chǔ)等多種環(huán)節(jié)都有望實(shí)現(xiàn)柔性化。

（資料源自東北證券整理）

柔性電子技術(shù)的概念最早可以追溯到，上世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)科研人員試圖用有機(jī)半導(dǎo)體替代硅等無機(jī)半導(dǎo)體，從而使有機(jī)電子器件具備柔性特點(diǎn)。發(fā)展至今，柔性電子技術(shù)仍處于起步階段，研發(fā)人員很多時(shí)候也是在不斷嘗試，試圖突破傳統(tǒng)思路，創(chuàng)造新的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。

全球各國(guó)投入大量科研經(jīng)費(fèi)致力于柔性先進(jìn)性技術(shù)工藝及材料的研發(fā)，大家側(cè)重的方向也略有不同。比如韓國(guó)集中力量在柔性顯示和柔性存儲(chǔ)領(lǐng)域；日本專注于卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝及材料研發(fā)；英國(guó)于2019年與印度聯(lián)合研發(fā)自修復(fù)的柔性電子技術(shù)；美國(guó)開發(fā)了世界第一個(gè)柔性觸摸顯示器、利用石墨烯傳感器探索大腦神經(jīng)活動(dòng)；我國(guó)重點(diǎn)規(guī)劃柔性電子材料在制造工藝、功能材料等方面研究等等。

在OFweek電子工程網(wǎng)看來，目前在國(guó)內(nèi)大家所關(guān)注到柔性電子材料更多的可能是在折疊手機(jī)、曲面屏等偏向于消費(fèi)電子產(chǎn)品的場(chǎng)景中。但這些都只是柔性電子技術(shù)的“冰山一角”，未來在生物醫(yī)療領(lǐng)域或許更能凸顯其價(jià)值。比如電子皮膚、坐骨神經(jīng)電信號(hào)采集、類皮膚柔性變形傳感器、碳納米纖維泡沫柔性壓力傳感器、類皮膚柔性壓力傳感器等系列柔性醫(yī)療電子產(chǎn)品的推出，幫助醫(yī)生在診斷或治療病患的過程中帶來了巨大助力。

從國(guó)內(nèi)的應(yīng)用狀況來看，一些研發(fā)團(tuán)隊(duì)和企業(yè)研制出的柔性電子產(chǎn)品已獲得行業(yè)監(jiān)管部門認(rèn)證。例如，清華大學(xué)柔性電子技術(shù)團(tuán)隊(duì)已設(shè)計(jì)和大規(guī)模制備出價(jià)格低廉、且能夠監(jiān)測(cè)人體體溫和心電信息的柔性電子器件，讓使用者較為便捷、及時(shí)的了解各項(xiàng)身體信息數(shù)據(jù)，從而提早做好疾病的防控工作。

除了常規(guī)的醫(yī)療診治以外，柔性電子技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、康復(fù)保健等方面也能起到很大的作用。對(duì)于一些行動(dòng)不便的病患來說，借助柔性電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加持的智能手環(huán)、智能可穿戴服飾等設(shè)備，不親自到醫(yī)院也可以給醫(yī)生提供病癥信息，為醫(yī)生遠(yuǎn)程了解病人的病情、及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變因素等提供新的渠道。

參考資料：“自然”雜志論文《一種天生柔性的32位Arm微處理器》、云頭條、機(jī)器之心、騰訊科技等