1美分的单价，制造数十亿支可用的处理器

重大设计转变可能很快将产生出价格低廉的柔性芯片。

几十年来，满怀希望的技术人员一直令人期待这样一个世界：借助超低价的可编程塑料处理器，绷带、瓶子、香蕉等一切物体都将具备某种智能。也许你想知道为什么这种情况尚未出现，那是因为没有人能以不到1美分的单价，制造数十亿支可用的处理器。

这不是因为缺少努力。2021年，Arm用塑料重新制造其最简单的32位微控制器M0，但即便如此也不能指望实现预期效果。伊利诺伊大学香槟分校和英国柔性电子产品制造商PragmatIC Semiconductor的工程师表示，问题在于，如果用塑料进行大批量生产，即便是最简单的工业标准微控制器也显得非常复杂。

2022年6月，在计算机体系结构国际研讨会上，这个跨大西洋的团队介绍了一种简单但功能完善的塑料处理器，其制造成本可以低于1美分。伊利诺伊团队专门设计了4位和8位处理器，将尺寸最小化，并最大限度地提高生产可用集成电路的百分比。该团队的负责人拉凯什•库马尔（Rakesh Kumar）说，81%的4位处理器是可用的，这么好的成品率足以突破1美分的门槛。

库马尔说：“几十年来，柔性电子产品一直属于小众市场。”他补充道，这项成品率研究表明“它们可能已经准备好成为主流”。

这种处理器采用氧化铟镓锌柔性薄膜半导体制造，可以在塑料上构建，即使弯曲半径为几毫米，也可以继续工作。但先决条件是有可靠的制造工艺，关键在于设计。

库马尔的团队并没有让现有微控制器结构来适应塑料，而是从头开始，创造了一种名为“FlexiCore”的设计。“随着逻辑门数量的增多，成品率下降得非常快。”库马尔说。认识到这一点，他们提出了一种将所需门数最小化的设计。使用4位和8位逻辑而非16位或32位是有帮助的。将存储指令的存储器与存储数据的存储器分开也是如此。此外，他们还减少处理器能执行指令的数量，并降低指令的复杂性。

该团队对设计做了进一步简化，安排处理器在单一时钟周期执行指令，而不是采用当今CPU的多级管道。此外，他们还设计逻辑重复使用部件执行指令，从而进一步减少逻辑门数。“总之，我们简化了FlexiCore设计，可根据柔性应用的需求来进行剪裁，柔性应用趋向于计算简单。”库马尔的学生纳撒尼尔•布莱叶（Nathaniel Bleier）说。

由此打造的4位FlexiCore仅5.6平方毫米，由2104个半导体元件组成（大约相当于1971年英特尔4004中晶体管的数量），而PlasticArm中半导体元件的数量多达3.8万个。

“就逻辑门数而言，它比最小的硅微控制器要低1个数量级。”他说。此外，该团队还开发了8位版本的FlexiCore，但效果并不好。

“要支持真正无处不在的电子器件，这正是我们需要的设计创新。”PragmatIC的首席执行官斯科特•怀特（Scott White）说。

伊利诺伊团队与PragmatIC合作生产出铺满4位和8位处理器的塑料涂层晶圆，并通过多个程序、多种电压并施加压力使其弯曲，对其进行测试。这种实验看起来很基础，但库马尔表示，它是开创性的。大多数研究采用非硅技术制造的处理器成品率很低，只有1个或最多几个可工作的芯片可报告结果。

“据我们了解，对所有非硅技术，这是首次多芯片报告的数据。”他说。

库马尔的团队并不满足于这种成就，他们创造了一种设计工具，探索针对不同应用的结构优化。例如，该工具显示，略微提高逻辑门数可明显降低耗电量。

库马尔注意到，芯片行业的目标一直是“兼顾功率和性能，以及一定程度的可靠性。我们一直没有关注成本、保型性和薄度。如果注重这些因素，我们将创建新的计算机结构，面向新的应用。”

美国西北大学的柔性电子先驱约翰•A. 罗杰斯（John A. Rogers）称这项工作“令人印象深刻””并期待电路性能的弯曲效果实验研究。

为什么不是硅？

你也许会有疑问，为什么硅处理器不能实现超低价柔性计算？库马尔分析认为这无法实现。如果把芯片做得非常小，塑料就可以实现柔性弯曲。然而，硅还是无法胜任，原因有二：首先，虽然电路的面积可以做到非常小，但仍需要在芯片边缘周围保留相对较大的空间，以便从晶圆中切出芯片。对于像FlexiCore一样简单的微控制器，边缘周围的空间将大于载有电路的区域。第二，如果采用硅，就需要更多的空间安置足够的I/O焊盘，以便数据和电源进入芯片。这样一来，硅片就会出现大块的空白区域，其成本就会超过1美分这一关键指标。

审核编辑 ：李倩