在塑料上造芯片，每片不到1美分

机器之心报道

机器之心编辑部

来自伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究小组使用 PragmatIC 的制造工艺在塑料上制造了 4 位微控制器。

想象一下，你周围的物体到处充满了智能，一条绷带、一个香蕉皮、一个瓶子等都具有智能。目前来看，这种场景只能出现在科幻电影里。你可能会奇怪，科技飞速发展的今天，为何这一切还没有实现，这是因为人类还没有制造出价格便宜的处理器。

全球物联网设备的数量每年以数十亿的速度增长。看起来这是一个巨大的数字，但实际上这个领域的潜力要大得多，而且相当昂贵的硅芯片正在阻碍它。解决方案可能是引入便宜很多倍的塑料芯片。

之前有研究机构进行了各种尝试，例如 2021 年 Arm 重磅推出 PlasticArm M0 新型塑料芯片原型，可以直接在纸张、塑料或织物上打印电路，该芯片没有采用硅作为基底，而是采用塑料处理器核心，这是 Arm 研究了近十年的项目，但即使这样 Arm 的研究也无法达到标准。

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校和英国芯片厂商 PragmatIC Semiconductor 的工程师们认为，问题在于，即使是最简单的工业标准微控制器也太过复杂，无法在塑料上批量生产。

在本月晚些时候举行的计算机架构国际研讨会（International Symposium on Computer Architecture）上，来自伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究小组展示了一种简单但功能齐全的塑料处理器，这种处理器可以以低于 1 美分（sub-penny）的价格制造。该团队设计了 4 位和 8 位处理器。不过这项研究更多细节尚未公开。

团队负责人 Rakesh Kumar 表示，「在 4 位处理器中大约有 81% 可以工作，这足够突破 1 美分的门槛。」

Rakesh Kumar

Kumar 表示，柔性电子产品已经细分市场几十年了，该团队制造的处理器是使用柔性薄膜半导体铟镓锌氧化物 (IGZO) 制成的，这种薄膜半导体可以建立在塑料上，即使在几毫米半径范围内弯曲也能继续工作。但是，虽然可靠的制造工艺是先决条件，但真正与众不同的是设计。

图源：https://technewsspace.com/scientists-have-developed-penny-plastic-flexicore-chips-they-promise-to-revolutionize-the-internet-of-things/

为什么不是硅？

你可能会疑问，为什么硅处理器不能做的超级便宜又兼具灵活计算性能？Kumar 经过分析认为这不可能实现。与塑料相比，硅既昂贵又不灵活，如果你把塑料芯片做得足够小，其在弯曲范围内也能继续工作。导致硅失败的原因有两个：一个是虽然电路的面积可以做得非常小，但你仍然需要在芯片边缘留出相对较大的空间，以便从晶圆中切出芯片。对于一般的微控制器，芯片边缘的空间比包含电路的区域要多。更重要的是，你还需要更多空间来安装足够的 I/O 焊盘（I/O pad），以便数据和电源可以进入芯片。这样一来，就会有空白硅片被浪费。

Kumar 团队没有将现有的微控制器架构改编为塑料，而是从头开始创建一种名为 Flexicore 的设计。由于废品率随着逻辑元件的数量而增加。了解到这一点，他们想出了另一种设计，旨在最大限度地减少所需的门数量。他们使用 4 位和 8 位逻辑而不是 16 位或 32 位逻辑。就像将存储指令的内存与存储数据的内存分开一样。但这样伴随而来的减少了处理器能够执行指令的数量和复杂性。

该团队进一步简化了处理器的设计，将处理器设计为在单个时钟周期内执行指令，而不是当今 CPU 的 multistep pipeline 形式。然后他们通过重用部件来实现这些指令的逻辑，这进一步减少了门数。「总的来说，我们能够根据灵活应用程序的需求对其进行定制来简化 FlexiCores 的设计，这些应用程序往往在计算上很简单，」Kumar 的学生 Nathaniel Bleier 表示。

通过以上设计，该团队实现了一个具有 5.6 mm^2 的 4 位 FlexiCore 芯片 ，仅由 2104 个半导体器件组成（大约与 1971 年经典 Intel 4004 中的晶体管数量相同），而去年 Arm 团队开发出的软性微处理器 PlasticARM 则由大约 56340 个器件组成。「就门数而言，FlexiCore 比最小的硅微控制器少一个数量级，」Nathaniel Bleier 表示。

工程师使用 PragmatIC 的制造工艺在塑料上制造 4 位微控制器。

FlexiCore 还具有优化的板载内存和指令集，可最大限度地减少晶体管数量并降低复杂性。研究人员还设计了逻辑元件，使他们可以使用最少的晶体管。毕竟，处理器被设计为在一个时钟周期内执行一条指令。

此外该团队还开发了 8 位版本的 FlexiCore，但效果不佳。

「这正是支持真正无处不在的电子产品所需的设计创新，」 PragmatIC Semiconductor 首席执行官 Scott White 表示。

借助 PragmatIC 技术，该团队生产了具有 4 位和 8 位处理器的塑料涂层晶圆，并在多个程序中以不同电压对它们进行测试，并毫不留情地进行弯曲。这个实验看起来很基础，但根据 Kumar 的说法，它是开创性的。大多数使用非硅技术构建的处理器产量都很差，以至于只能从一个或最多几个可工作的芯片中报告结果。「据了解，这是首次可以报告来自多个芯片的非硅技术的数据，」Kumar 表示。

PragmatIC 一直致力于低成本芯片

Kumar 观察到，芯片行业的目标是兼顾功率和性能指标，以及某种程度的可靠性。他们并没有将重点放在成本、一致性和芯片薄度上。而是将重点放在构建新的计算机架构并瞄准新的应用程序上。

美国西北大学的柔性电子先驱 John A. Rogers 称这项工作令人印象深刻，并期待这项研究的后续发展。

当然，这只是迄今为止这项研究的工作，在 FlexiCore 解决方案或类似解决方案上市之前还有很多工作要做。然而，研究人员已经尝试针对不同的流程和目标工作负载优化他们的解决方案，并取得了一些成功。还有关于弯曲如何影响性能以及塑料芯片的耐用性的问题。

然而，随着如此便宜的塑料处理器和柔性电子产品成为主流，我们很快就会看到真正无处不在的电子产品的曙光。这种芯片可以放置在几乎任何产品的包装上或医疗贴片上，应用领域不在受限制。

参考文献：

https://spectrum.ieee.org/plastic-microprocessor

https://www.hackster.io/news/flexicore-boosts-pragmatic-s-yield-to-offer-basic-yet-functional-sub-penny-plastic-processors-4a1191483ab8

https://technewsspace.com/scientists-have-developed-penny-plastic-flexicore-chips-they-promise-to-revolutionize-the-internet-of-things/

塑料也能造芯片？全球首个柔性原生32位ARM架构微处理器问世

（图片来源：pixabay）

全球首个柔性原生32位微处理器终于问世！

钛媒体7月22日消息， 科学期刊英国《Nature》（自然）杂志今天凌晨发表了一项电子行业最新突破性技术进展：由Arm公司领衔，联合全球柔性电子产品供应商PragmatIC等机构，结合金属氧化物薄膜晶体管（TFT）和柔性聚酰亚胺（一种耐高温的塑料），制成了全球首个柔性原生32位、基于ARM架构、高达18334个等效门的微处理器PlasticARM。该芯片有望推动低成本、全柔性智能半导体与集成电路产业的发展。

本论文通讯作者、Arm研究院首席研究工程师、英国PlasticArmPit项目负责人埃姆雷·厄泽尔（Emre Ozer）在接受钛媒体App专访时表示，该研究展示了全球第一个原生柔性的32位Arm微处理器，它将极大扩展基于Arm技术的潜在应用范围，有望应用于牛奶瓶外壳的电子标签、伤口护理和医疗保健的智能贴片等场景中，数以百万计的电子产品可从中受益。

科技部下属的《科技日报》则对该研究评价指：一直以来，微处理器制造所用的材料基本上都是硅，此次新材料的加入使其多了“柔”的特性，结合它的实用性，这一新成果可极大推动智能设备、物联网等应用领域的发展。

塑料也能成为芯片材料，柔性不完全要放弃硅

近50年前，英特尔创造了世界上第一个可商业量产的微处理器——Intel 4004，这是一个仅4位的CPU（中央处理单元），具有2300个晶体管，使用10um工艺技术在硅基材料中制造，只能进行简单的运算计算。

自从取得这一突破性成就以来，随着技术的不断发展，芯片结构越来越复杂，目前最先进的硅64位微处理器达到5nm制程工艺，包括英伟达最强AI芯片A100、亚马逊AWS的Graviton2等芯片均拥有超300亿个晶体管。正如芯片专家詹姆斯·迈尔斯（James Myers）所说，“我们依照摩尔定律‘在硅中游泳’ ”。

尽管基于硅材料的微处理器是所有电子设备的核心，包括智能手机、电脑、路由器、服务器、汽车等产品都用硅芯片。但其也有诸多问题，比如易碎、不灵活的、不耐压力等，甚至硅芯片价格随着工艺难度的增加也变得越来越贵，限制了其在日常智能应用制造上的可行性，如食品包装和服装等。

如今全球缺芯加剧，使得二氧化硅的稀有程度也愈来愈高。因此，柔性材料用于电子学这一重要话题成为了新趋势。但生产柔性微处理器，还要有足够多晶体管进行有意义的计算，这一直都是个巨大难题。

柔性电子器件背后的流程非常简单：从柔性基底（如塑料或纸）开始，用它作为制造柔性半导体薄层的衬底，利用新介质和定制化的制造设备进行加工。从原子大小薄的材料到半导体聚合物，各种各样的芯片可以利用这一流程实现量产。

英国《自然》杂志发表的这篇研究成果是由Arm Ltd公司的科研团队领衔。基于新的合成材料，新的指令集架构，通过行业标准芯片实现工具的PragmatIC 0.8μm工艺，Arm团队由此设计出全球首个柔性原生32位、基于ARM架构的微处理器PlasticARM。

PlasticARM处理器结构图（来源：论文）

在合成材料部分， 与在硅晶圆上制造硅基晶体管 (MOSFET) 不同的是，Arm公司团队使用了一种“非晶硅”的新型材料。基于厚度小于30 μm的聚柔性聚酰亚胺（一种耐高温的塑料）衬底上，利用PragmatIC的FlexIC 0.8μm工艺，与金属氧化物薄膜晶体管（TFT）结合构成柔性微处理器。所有关键部件——32位CPU处理器、RAM、ROM 和互连——均使用非晶硅制成，并在柔性聚合物上制造。

这并非是完全放弃硅基的晶体管，而是基于“硅”材料技术加上柔性特质。 该研究的合作者、PragmatIC技术高级副总裁Catherine Ramsdale解释指，虽然材料是新的，但其与Arm团队的想法是，尽可能多地借鉴硅芯片的生产过程，与硅器件的一致性是关键，这样更容易批量生产芯片并降低成本。

据悉，非晶硅材料以有序原子阵列的形式存在，可用作太阳能电池板和液晶显示器等，价格上也很便宜，加工技术更简单，还可以缩小到规模化集成所需的较小尺寸。比如，PlasticARM的CPU部分面积大幅减少约3倍，时钟频率最高可达29kHz，功耗仅为21mW。

根据论文所述，PlasticARM的面积为59.2平方米，其中处理器面积占45%，存储器占33%，外设占22%。并且，“PlasticARM”处理器拥有更多晶体管，包含18,334个NAND2等效逻辑门，比此前金属氧化物薄膜晶体管构成的最佳柔性集成电路多12倍的逻辑门。这使PlasticARM成为迄今为止最复杂的柔性集成电路FlexIC技术。

研究人员表示，这一纤薄、低成本的柔性微处理器或可为日用品的智能化开拓道路。

除了制造部分，在指令集架构上PlasticARM也做了诸多创新。 Arm公司与PragmatIC合作，联合研发出一种32位Arm Cortex-M0+处理器指令集版本，可以执行ARM Thumb指令的简化子集，甚至兼容Armv6-M架构中的Arm Cortex-M类处理器。并且，研究人员还针对小型和低功耗使用进行了优化，让其用作嵌入式处理器，实现最小能耗。

厄泽尔在接受钛媒体App专访时表示，这一过程中的设计技术复杂性，以及生产良率是他们团队面临的重要挑战，特别是较差的噪声容限、高功耗、以及大的工艺偏差，这些都是团队需要不断克服并予以解决的。

不过，PlasticArm处理器被集成在一个可从内部存储器运行的电路内，当前版本在装配之后不能更新。但研究团队认为，未来迭代能实现可编程的存储器。

厄泽尔指出，虽然硅的性能、密度和能效超过了柔性处理器，但PlasticArm的许多潜在用途对性能要求不高，主要像是需要感测、分析少量真实世界数据，并将其传送到显示器或更复杂的系统进行记录和散布信息的场景。

厄泽尔对钛媒体App表示，在硅芯片不是一个可行的选择时（主要考量成本的情况下），嵌入处理器技术是可能是未来发展趋势，其应用范围很广，可以实现“万物互联”，包括在未来十年内，将超过一万亿个无生命物体集成到数字世界中。而微处理器的技术创新，可以给整个行业带来各种研究和商业机会。

据了解，厄泽尔所在的Arm研发团队已计划下一步改进、升级迭代PlasticARM处理器产品，主要涉及降低功耗等。此外，研究人员还希望下一代处理器的等效逻辑门数提高到10万以上。

后摩尔时代重构全球芯片产业

近期多家外媒报道，英特尔计划出价20亿美元收购一家名为SiFive的公司，后者是美国一家基于开源RISC-V架构的芯片设计企业。此外，英特尔还在规划量子芯片、光芯片等新技术。

这些消息让人很意外，提出摩尔定律的英特尔，原本坚持x86架构，坚持硅制造工艺，如今也开始“叛变”。

近两年，随着算力重要性不断凸显，人工智能技术的不断发展，摩尔定律趋缓，IPU、NPU、ASIC、通用GPGPU等芯片概念应运而出，x86、ARM、RISC-V等指令集架构重新大洗牌，EDA技术进入2.0时代，而氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等第三代半导体材料重装上阵，有望重构硅半导体产业链。

天风证券研报指出，超越摩尔定律相关技术发展的重点，存在3条技术路线：

一是发展不依赖于特征尺寸不断微缩的特色工艺，以此扩展集成电路芯片功能；

二是将不同功能的芯片和元器件组装在一起封装，实现异构集成。其创新点在于推出各种先进封装技术，具有降低芯片设计难度、制造便捷快速和降低成本等优势；

三是在材料环节创新，发展第三代半导体。先进封装市场具有潜在颠覆性，预计2025可达430亿美元。而第三代半导体，材料工艺是芯片研发的主旋律。

中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明日前表示，后摩尔时代正重构全球芯片产业，同时也给予了中国追赶世界半导体产业的一个机会。

据吴汉明介绍，目前国内已经有公司通过“成熟工艺+异构集成”的方式，利用40nm的成熟工艺+异构集成，产品性能可与16nm媲美。“这也代表着后摩尔时代的技术延伸和发展方向。”

后摩尔时代，正是一个多赛道变道竞技的时代。工信部电子信息司司长乔跃山表示，2020年，中国集成电路产业规模达到8848亿元，“十三五”期间年均增速接近20%，为全球同期增速的4倍。未来在中国经济稳健增长的态势下，在5G、云计算、物联网、人工智能、智能网联汽车等新型应用的驱动下，中国集成电路市场需求仍将持续增长。

“尤其是物联网的发展，推动大数据、云计算和人工智能的发展。”国家信息化专家咨询委员会原常务副主任周宏仁指出，数字化、网络化、智能化技术的应用开始向各种产品渗透，因为全球“物”的数量巨大，“用户”数量将以百亿计。如此庞大的应用需求，势必影响核心芯片技术的下一轮革命性变革，所需的核心芯片技术的体系架构还在成形之中，是当前全球芯片和产业界竞争的焦点。

周宏仁认为，芯片产业要面向未来，不要揪着x86和ARM的体系架构不放，而要放眼“大智物云”的发展需求，做前瞻性的赶超部署。在关键技术领域实现引领性创新突破，符合中国的实际需求，

周宏仁强调，“我们要用有限的人才和社会资源，突出战略重点，力争引领下一代核心芯片技术的发展。”

（本文首发钛媒体App，作者｜林志佳）

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