Arm plastic chip

Arm 打造的塑膠晶片。圖片來源:Nature

【為什麼我們要挑選這篇文章】現階段的晶片,大多是由含矽的半導體做的。近日,Arm 用塑膠打造 32 位元的柔性晶片,不僅可彎曲,製造成本也更低,可應用於物聯網設備。若這款晶片商用,或許就能製造出能彎曲的電子設備,攜帶、安裝更方便。(責任編輯:郭家宏)

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作者:量子位

塑膠也能用於造晶片?

是的,你沒聽錯!

Arm 公司宣佈他們用一種塑膠和薄膜電晶體製成了一種新的處理器 PlasticArm。(圖為顯微鏡下的照片)

該處理器是全球首個柔性原生 32 位元、基於 Arm 架構、高達 18334 個等效門的微處理器。

其生產過程不涉及到矽元素,生產成本大概為同類矽晶片的 1/10。

而這一柔軟靈活、低成本的微處理器將在物聯網設備中派上用場。

成果現已發表在 Nature。

Arm 用塑膠打造晶片,可彎曲且成本更低

目前,幾乎所有電子設備的微處理器都採用矽材料製成。

而研究人員將目光轉移到了塑膠材料,是因為矽有著易碎、不夠靈活、不耐壓力等缺點,這限制了其在日常用品智慧化上的可行性。

新的處理器用的塑料叫做聚酰亞胺,號稱「柔術大師」,其彎曲性,靈活度、可變性很高,也是一種耐高溫的塑料,可摺疊螢幕智慧手機上就有它的應用。

並採用金屬氧化物薄膜晶體管(TFT)技術開發。

薄膜電晶體主要應用於液晶顯示器 LCD 和有機發光半導體 OLED 中。

製作方法為在厚度小於 30 μm 的柔性聚酰亞胺襯底上,利用 PragmatIC 公司的 FlexIC 0.8 μm 工藝,與 IGZO 薄膜電晶體結合,最終製成該柔性微處理器。

IGZO:氧化銦鎵鋅,一種 LCD 薄膜電晶體顯示器技術,在一些高端手機上使用,比 OLED 螢幕高級,但產量不及 OLED。

PlasticArm 架構

可以看出,這仍然是一種光刻工藝,採用了旋涂和光刻膠技術。

最終 PlasticARM 有 13 個材料層和 4 個可佈線的金屬層。

由 32 位元 Arm Cortex-M0+ 處理器衍生,可以說是 M0+ 的全功能非矽版本。

它完全支持 ARMv6-M 系列架構,為 Cortex-M0+ 處理器生成的程式碼也可以該處理器上運行。

並與所有其他 Cortex-M 系列二進制兼容,與常規 Cortex-M0+ 一樣,具有 16 位元 Thumb ISA 和 32 位元 Thumb 子集,數據和地址寬度均為 32 位元,支持 86 條指令。

而它與矽制 M0+ 內核的關鍵區別在於其寄存器不在 CPU 內,而是映射到 RAM 中。

透過從 CPU 中刪除寄存器並使用現有 RAM 作為寄存器空間,此舉以降低寄存器訪問速度為代價,實現了 CPU 面積約 3 倍的縮減。

PlasticARM 的主要參數如下:

尺寸為 59.2 mm2(7.536X7.856,無焊盤),厚度不到 30 微米,包含 56340 個器件(n 型 TFT 與電阻器)、18334 個 NAND2 等效門,這數量比目前最好的整合電路高 12 倍(對比見後面的表格)。

處理器的時鐘頻率為 29 kHz,消耗功率為 21 mW(>99% 的靜態功率,45% 處理器,33% 記憶體,22% IO)。

這聽起來可能很小,但在標準矽上實現的 M0+,只需要 10 mW 多一點就能達到 1.77 MHz。

另外,SoC 晶片引腳一共 28 針,包括時鐘、複位、GPIO、電源等引腳。

下面是 PlasticARM 與其他金屬氧化物 TFT 建構的柔性整合電路對比:

可用於物聯網設備,但有能源效率低落的問題

與 Arm 一起設計和生該晶片的公司 PragmatIC 表示,雖然用的材料是新的,但他們盡可能多地借鑒矽晶片的生產過程。這樣就能實現降低成本批量生產。

而這些晶片的成本大概是同類矽晶片的十分之一。

史丹佛大學的電氣工程師評價道,這種晶片的複雜性及其包含的電晶體數量給他留下了深刻印象。

但它也還有侷限性:該晶片消耗 21 毫瓦的能量,但其中只有 1% 用於執行計算;其餘的都被浪費了。

這主要是它只採用了 n 型電晶體(但受到該晶片使用的材料限制,p 型並不好設計)。

該工程師表示,沒準可以換別的柔性材料來降低尺寸和功率,比如碳奈米管,當然這會提高成本。

總而言之,哪種柔性材料最終有意義將取決於晶片的應用場景,矽並不總是注定要成為所有電子設備的核心。

雖然 Arm 的設計似乎沒有證明任何理論突破,但這表明可以生產出一種相對容易製造和使用的處理器用於實際的電子設備。這就是其中令人興奮的部分。

因此,研究人員也計劃將 PlasticARM 率先用來開發低成本、足夠靈活的智慧整合系統,實現「萬物互聯」,在未來十年內將超過一兆個無生命物體整合到數位世界中。

論文地址

參考資料:ANADATECHWIRED

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(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為〈全球首个塑料ARM芯片登上Nature,成本仅同类硅芯片1/10〉。首圖來源:Nature