用塑料打造全球首個軟性32位元微處理器

作者 : 夏菲,EDN China

Arm聯手軟性電子產品供應商PragmatIC等機構,結合MO-TFT和軟性聚酰亞胺,製造出全球首個軟性原生32位元、基於ARM架構的微處理器PlasticARM。該晶片有望推動低成本、全軟性智慧半導體與IC產業的發展⋯

科學期刊《自然》(Nature)日前發表電子產業最新突破性技術進展:由Arm公司領銜,聯合全球軟性電子產品供應商PragmatIC等機構,結合金屬氧化物薄膜電晶體(MO-TFT)和軟性聚酰亞胺(一種耐高溫的塑料),製造出全球首個軟性原生32位元、基於ARM架構、高達18,334個等效閘的微處理器PlasticARM。該晶片有望推動低成本、全軟性智慧半導體與IC產業的發展。

塑料也能成為晶片材料

近50年前,英特爾(Intel)創造了世界上第一個可商業量產的微處理器——Intel 4004,這是一個僅4位元的CPU,具有2,300個電晶體,使用10um製程技術在矽基材料中製造,只能進行簡單的運算。

自從取得這一突破性成就以來,隨著技術的不斷發展,晶片結構越來越複雜,目前最先進的矽64位元微處理器現在擁有300億個電晶體(例如亞馬遜的AWS Graviton2微處理器,使用7奈米製程技術製造)。

微處理器如今已深深地嵌入我們的文化中,並已成為一項發明——也就是說,它是一種允許實現其他發明的工具。

《Nature》發表的這種32位元Arm精簡指令集運算(RISC)架構微處理器,在軟性基板(稱為PlasticARM)上採用MO-TFT技術開發。

相較於傳統半導體元件,軟性電子元件建構在紙張、塑料或金屬箔等基板上,並使用有機物或金屬氧化物或非晶矽等主動薄膜半導體材料。

與晶體矽相比,它們具有許多優勢,包括薄度、一致性和低製造成本。TFT可以在軟性基板上製造,其加工成本比在電晶體矽晶片上製造的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)低得多。

TFT技術的目標不是取代矽。隨著這兩種技術的不斷發展,矽很可能會在性能、密度和功率效率方面保持優勢。

微處理器是每個電子裝置的核心,包括智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、路由器、伺服器、汽車以及最近構成物聯網的智慧對象。儘管傳統的矽技術已將至少一個微處理器嵌入到地球上的每一個「智慧」裝置中,但它面臨著使日常物品變得更智慧的關鍵挑戰,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。成本是阻礙傳統矽技術在這些日常用品中可行的最重要因素。儘管矽製造的規模經濟有助於顯著降低單位成本,但微處理器的單位成本仍然高得令人望而卻步。此外,矽晶片並不是天生的薄、柔韌和貼合。

另一方面,軟性電子產品確實提供了這些理想的特性。在過去的20年中,軟性電子產品已經發展到提供成熟的低成本、薄型、軟性和適應性強的裝置,包括感測、記憶體、電池、發光二極體、能量採集器、近場通訊/射頻識別和印刷電路比如天線。這些是構建任何智慧整合電子裝置的基本電子元件。缺少的部分是靈活的微處理器。尚不存在可行的軟性微處理器的主要原因是,需要在軟性基板上整合相對大量的TFT以執行任何有意義的運算。這在新興的軟性TFT技術以前是不可能的。

中間的方法是將矽基微處理器晶片整合到軟性基片上,也稱為混合整合(3,4,5),即將矽晶圓變薄,將晶圓上的晶片整合到軟性基片上。雖然薄矽模整合提供了一個短期的解決方案,但這種方法仍然依賴於傳統的高成本製造製程。因此,這不是一個長期可行的解決方案,在未來10年或更長的時間裡,它無法實現數十億日常智慧物品的生產。

基於ARM架構的軟性微處理器PlasticARM

《Nature》發表的這篇研究成果是由Arm的科研團隊領銜。基於新的合成材料、新的指令集架構,透過產業標準晶片建置工具的PragmatIC 0.8μm製程,Arm團隊由此設計出全球首個軟性原生32位元、基於ARM架構的微處理器PlasticARM。

在合成材料部分,與在矽晶圓上製造矽基MOSFET不同的是,Arm團隊使用了一種「非晶矽」的新型材料。基於厚度小於30 μm的聚軟性聚酰亞胺(一種耐高溫的塑料)襯底上,利用PragmatIC的FlexIC 0.8μm製程,與MO-TFT結合構成軟性微處理器。所有關鍵元件——32位元CPU處理器、RAM、ROM 和互連——均使用非晶矽製成,並在軟性聚合物上製造。

這並非是完全放棄矽基的電晶體,而是基於「矽」材料技術加上軟性特質。該研究的合作者、PragmatIC技術資深副總裁Catherine Ramsdale解釋,雖然材料是新的,但其與Arm團隊的想法是,盡可能多地借鑒矽晶片的生產過程,與矽元件的一致性是關鍵,這樣更容易量產晶片並降低成本。

據悉,非晶矽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,價格上也很便宜,加工技術更簡單,還可以縮小到規模化整合所需的較小尺寸。比如,PlasticARM的CPU部分面積大幅減少約3倍,時脈頻率最高可達29kHz,功耗僅為21mW。

根據論文所述,PlasticARM的面積為59.2mm2,其中處理器面積佔45%,記憶體佔33%,周邊元件22%。並且,“PlasticARM”處理器擁有更多電晶體,包含18,334個NAND2等效邏輯閘,比此前MO-TFT構成的最佳軟性整合電路多12倍的邏輯閘。這使PlasticARM成為迄今為止最複雜的軟性整合電路FlexIC技術。研究人員表示,這一纖薄、低成本的軟性微處理器或可為日用品的智慧化開拓道路。

除了製造部分,在指令集架構上PlasticARM也做了諸多創新。Arm並與PragmatIC合作,研發出一種32位元Arm Cortex-M0+處理器指令集版本,可以執行ARM Thumb指令的簡化子集,甚至兼容Armv6-M架構中的Arm Cortex-M類處理器。研究人員還針對小型和低功耗使用進行了最佳化,讓其用作嵌入式處理器,實現最小能耗。

據了解,Arm研發團隊已計劃下一步改進、升級迭代PlasticARM處理器產品,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閘數提高到10萬以上。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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發表評論

  1. Wayne Chen表示:

    倒數第三段59.2平方公尺, 原文是59.2 mm2

    1. Susan Hong表示:

      謝謝指正,已更正。