柔性塑料微處理器成本不到一分錢

來自伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(UIUC)的 Grainger 工程學(xué)院的研究人員與柔性電子制造商?PragmatIC Semiconductor合作，獲得了首個(gè)商業(yè)上可行的柔性塑料微處理器。這些 FlexiCore 芯片只需不到一分錢，就能制造出低成本的智能消費(fèi)產(chǎn)品。此外，靈活的技術(shù)使芯片能夠滿足這些應(yīng)用中的尺寸限制。

“你可以將處理器放在繃帶上以檢測(cè)傷口是否正在愈合，或者將它們添加到消費(fèi)品包裝中以跟蹤供應(yīng)鏈的進(jìn)展，”UIUC 協(xié)調(diào)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的電氣和計(jì)算機(jī)工程教授兼研究員 Rakesh Kumar 說，在一份聲明中?！疤魬?zhàn)在于創(chuàng)造一種處理器，它既可以廉價(jià)生產(chǎn)，又足夠靈活，即使在我們的身體、包裝或啤酒瓶的不平整表面上也能貼身貼合?！?/p>

研究人員不使用硅，而是決定使用塑料作為其芯片的基礎(chǔ)。FlexiCore 建立在由銦鎵鋅氧化物 (IGZO) 制成的薄膜晶體管 (TFT) 上，這種半導(dǎo)體材料即使在彎曲時(shí)也能工作，并且與塑料兼容。

FlexiCore4 芯片采用 200 毫米晶圓。。（來源：伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校）

聚酰亞胺已被證明是一種有彈性的柔性基材，該項(xiàng)目的電氣和計(jì)算機(jī)工程專業(yè)研究生 Nathaniel Bleier 說?！癟FT是無機(jī)的——由銦、鎵、鋅和氧制成——沉積在包含四個(gè)金屬層的聚酰亞胺基板上。該工藝是一種光刻工藝，它使用一系列沉積、圖案化和蝕刻步驟?！?/p>

UIUC 團(tuán)隊(duì)測(cè)試了 4 位和 8 位處理器，發(fā)現(xiàn) 4 位處理器產(chǎn)生了 81% 的良率，這足以讓芯片以不到一美分的價(jià)格制造出來。4 位處理器有 2,104 個(gè)器件（晶體管和電阻器），比去年宣布的名為 PlasticArm的塑料 Arm 處理器上的 56,000 多個(gè)器件要少得多。

研究人員在 3 V 和 4.5 V 下以 12.5 kHz 的頻率測(cè)試了內(nèi)核。內(nèi)核平均消耗 3.9/4.9 mW。FlexiCore4 和 FlexiCore8 內(nèi)核的尺寸分別為 5.56 mm 2和 6.05 mm 2。兩者都在晶圓上進(jìn)行了測(cè)試并且未封裝。

Bleier 說，以 12.5 kHz 的頻率測(cè)試內(nèi)核是測(cè)試設(shè)備的一個(gè)限制。

“我們相信我們可以更快地運(yùn)行內(nèi)核，并且提高時(shí)鐘速度對(duì)功耗的影響最小，而功耗絕大多數(shù)是靜態(tài)功耗，”他說。

為什么選擇 4 位和 8 位處理器？“我們這項(xiàng)工作的目標(biāo)是表明，柔性電子產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)低成本微處理器，這反過來又允許計(jì)算滲透到目前由于保形性、薄度和成本要求而尚未出現(xiàn)計(jì)算擴(kuò)散的領(lǐng)域. 這些領(lǐng)域包括快速消費(fèi)品的包裝；創(chuàng)可貼等低端保健品；一次性食品傳感器；以及用于森林、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器。

“能夠滿足這些領(lǐng)域要求的低成本、靈活的處理器需要一個(gè)小面積、高產(chǎn)量的微處理器，”Bleier 補(bǔ)充道?！按送猓瑢?duì)域應(yīng)用程序的分析 [見下表] 表明，這些‘靈活應(yīng)用程序’中的大多數(shù)都需要不超過 8 位的數(shù)據(jù)精度，事實(shí)上，4 位對(duì)許多人來說甚至是多余的?！?/p>

FlexiCore 柔性塑料微處理器的示例應(yīng)用及其性能要求。。（來源：伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校）

但也有很大的挑戰(zhàn)。Bleier 說，設(shè)計(jì)一個(gè)既足夠小又足夠強(qiáng)大的處理器“對(duì)真正的計(jì)算工作有用一直是開發(fā)低成本、靈活處理器的最大挑戰(zhàn)”。

他補(bǔ)充說，處理器的單位成本與處理器的尺寸成超線性比例，材料成本與處理器尺寸成正比。“因此，更大的處理器每個(gè)內(nèi)置處理器的成本更高，并且需要構(gòu)建更多的處理器來滿足生產(chǎn)目標(biāo)。這意味著要獲得超低價(jià)格，我們需要一個(gè)非常小的處理器，但處理器仍然需要能夠支持需要計(jì)算的靈活應(yīng)用程序。”

其他原型

去年發(fā)布了一些具有競(jìng)爭(zhēng)力的柔性塑料微處理器，包括 Arm 的 PlasticArm 和imec 的 8 位 6052 塑料處理器。但是原型之間有幾個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別。（有關(guān)其他比較，請(qǐng)參閱 UIUC/PragmatIC Semiconductor報(bào)告。）

Bleier 說 UIUC 的項(xiàng)目在幾個(gè)基本方面與 Arm 的工作不同：“首先，我們的項(xiàng)目真正是一個(gè)能夠執(zhí)行其 ISA 中編寫的任意程序的微處理器。我們?cè)诠韬鬁y(cè)試和驗(yàn)證中利用了這一事實(shí)，我們使用超過 100,000 條指令對(duì)每個(gè)芯片進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，這些指令來自對(duì)每條芯片路徑進(jìn)行定向和隨機(jī)測(cè)試。因此，當(dāng)我們說核心有效時(shí)，我們相信它確實(shí)有效。

“另一方面，Arm 原型執(zhí)行單個(gè)程序；因此，測(cè)試包括檢查它是否正確執(zhí)行了該程序，”他補(bǔ)充道。

Bleier 說，就 imec 原型而言，它更像是 FlexiCore，“因?yàn)樗麄冊(cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可以執(zhí)行任意程序的處理器”。

然而，imec 和 Arm 項(xiàng)目都采用了為硅設(shè)計(jì)的現(xiàn)有架構(gòu)，UIUC 的研究人員“認(rèn)為這是一個(gè)錯(cuò)誤”。

Bleier 解釋說：“最初的 MOS 6502 建立在 8 微米技術(shù) [工藝] 節(jié)點(diǎn)上——即比這些靈活工作中使用的大 10 倍——但仍可以在低兆赫頻率范圍內(nèi)工作。此外，MOS 6502 可以尋址 64 KB 的內(nèi)存——ARMv6m 可以尋址 4 GB 的內(nèi)存。盡管如此，Arm 的 SoC 中僅包含大約 128 B 的內(nèi)存。在柔性電子產(chǎn)品中，目前不需要能夠處理大量（甚至微不足道）的內(nèi)存，因?yàn)榇藭r(shí)只能構(gòu)建少量的柔性內(nèi)存?！?/p>

研究人員關(guān)注的另一個(gè)問題是支持設(shè)計(jì)的微架構(gòu)。他們質(zhì)疑他們的多周期設(shè)計(jì)方法，特別是對(duì)于電池或采集器供電的系統(tǒng)。

“雖然所有商業(yè) ARMv6m 內(nèi)核都是流水線的，但 PlasticArm 與 6502 一樣，使用多周期設(shè)計(jì)來最小化面積——多周期設(shè)計(jì)允許結(jié)構(gòu)的時(shí)間復(fù)用，”Bleier 說?！斑@意味著每條指令需要多個(gè)周期才能執(zhí)行。這是一種可接受的技術(shù)折衷，例如以動(dòng)態(tài)功率為主的傳統(tǒng)硅技術(shù)。但這種靈活的技術(shù)以靜態(tài)功耗為主導(dǎo)，這意味著增加每條指令的周期數(shù)相當(dāng)于將執(zhí)行一條指令所需的能量增加一倍、三倍、四倍等?！?/p>

UIUC 團(tuán)隊(duì)仍在努力實(shí)現(xiàn)三個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)：Bleier 說，研究人員希望啟用完整的系統(tǒng)，從而為靈活的應(yīng)用程序提供機(jī)密和經(jīng)過身份驗(yàn)證的通信。他們還希望開發(fā)電路和微架構(gòu)功耗降低解決方案，并在柔性電子產(chǎn)品的背景下探索間歇性計(jì)算（即在出現(xiàn)電源故障的情況下進(jìn)行計(jì)算）。

審核編輯 黃昊宇