在塑料上造芯片，每片不到1美分

机器之心

发布于 2022-06-24 18:36:21

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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。

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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。