柔性塑料微处理器成本不到一分钱

来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的 Grainger 工程学院的研究人员与柔性电子制造商 PragmatIC Semiconductor合作，获得了首个商业上可行的柔性塑料微处理器。这些 FlexiCore 芯片只需不到一分钱，就能制造出低成本的智能消费产品。此外，灵活的技术使芯片能够满足这些应用中的尺寸限制。

“你可以将处理器放在绷带上以检测伤口是否正在愈合，或者将它们添加到消费品包装中以跟踪供应链的进展，”UIUC 协调科学实验室的电气和计算机工程教授兼研究员 Rakesh Kumar 说，在一份声明中。“挑战在于创造一种处理器，它既可以廉价生产，又足够灵活，即使在我们的身体、包装或啤酒瓶的不平整表面上也能贴身贴合。”

研究人员不使用硅，而是决定使用塑料作为其芯片的基础。FlexiCore 建立在由铟镓锌氧化物 (IGZO) 制成的薄膜晶体管 (TFT) 上，这种半导体材料即使在弯曲时也能工作，并且与塑料兼容。

FlexiCore4 芯片采用 200 毫米晶圆。。（来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）

聚酰亚胺已被证明是一种有弹性的柔性基材，该项目的电气和计算机工程专业研究生 Nathaniel Bleier 说。“TFT是无机的——由铟、镓、锌和氧制成——沉积在包含四个金属层的聚酰亚胺基板上。该工艺是一种光刻工艺，它使用一系列沉积、图案化和蚀刻步骤。”

UIUC 团队测试了 4 位和 8 位处理器，发现 4 位处理器产生了 81% 的良率，这足以让芯片以不到一美分的价格制造出来。4 位处理器有 2,104 个器件（晶体管和电阻器），比去年宣布的名为 PlasticArm的塑料 Arm 处理器上的 56,000 多个器件要少得多。

研究人员在 3 V 和 4.5 V 下以 12.5 kHz 的频率测试了内核。内核平均消耗 3.9/4.9 mW。FlexiCore4 和 FlexiCore8 内核的尺寸分别为 5.56 mm 2和 6.05 mm 2。两者都在晶圆上进行了测试并且未封装。

Bleier 说，以 12.5 kHz 的频率测试内核是测试设备的一个限制。

“我们相信我们可以更快地运行内核，并且提高时钟速度对功耗的影响最小，而功耗绝大多数是静态功耗，”他说。

为什么选择 4 位和 8 位处理器？“我们这项工作的目标是表明，柔性电子产品能够实现低成本微处理器，这反过来又允许计算渗透到目前由于保形性、薄度和成本要求而尚未出现计算扩散的领域. 这些领域包括快速消费品的包装；创可贴等低端保健品；一次性食品传感器；以及用于森林、农业和环境监测的传感器。

“能够满足这些领域要求的低成本、灵活的处理器需要一个小面积、高产量的微处理器，”Bleier 补充道。“此外，对域应用程序的分析 [见下表] 表明，这些‘灵活应用程序’中的大多数都需要不超过 8 位的数据精度，事实上，4 位对许多人来说甚至是多余的。”

FlexiCore 柔性塑料微处理器的示例应用及其性能要求。。（来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）

但也有很大的挑战。Bleier 说，设计一个既足够小又足够强大的处理器“对真正的计算工作有用一直是开发低成本、灵活处理器的最大挑战”。

他补充说，处理器的单位成本与处理器的尺寸成超线性比例，材料成本与处理器尺寸成正比。“因此，更大的处理器每个内置处理器的成本更高，并且需要构建更多的处理器来满足生产目标。这意味着要获得超低价格，我们需要一个非常小的处理器，但处理器仍然需要能够支持需要计算的灵活应用程序。”

其他原型

去年发布了一些具有竞争力的柔性塑料微处理器，包括 Arm 的 PlasticArm 和imec 的 8 位 6052 塑料处理器。但是原型之间有几个关键的区别。（有关其他比较，请参阅 UIUC/PragmatIC Semiconductor报告。）

Bleier 说 UIUC 的项目在几个基本方面与 Arm 的工作不同：“首先，我们的项目真正是一个能够执行其 ISA 中编写的任意程序的微处理器。我们在硅后测试和验证中利用了这一事实，我们使用超过 100,000 条指令对每个芯片进行严格测试，这些指令来自对每条芯片路径进行定向和随机测试。因此，当我们说核心有效时，我们相信它确实有效。

“另一方面，Arm 原型执行单个程序；因此，测试包括检查它是否正确执行了该程序，”他补充道。

Bleier 说，就 imec 原型而言，它更像是 FlexiCore，“因为他们设计了一个可以执行任意程序的处理器”。

然而，imec 和 Arm 项目都采用了为硅设计的现有架构，UIUC 的研究人员“认为这是一个错误”。

Bleier 解释说：“最初的 MOS 6502 建立在 8 微米技术 [工艺] 节点上——即比这些灵活工作中使用的大 10 倍——但仍可以在低兆赫频率范围内工作。此外，MOS 6502 可以寻址 64 KB 的内存——ARMv6m 可以寻址 4 GB 的内存。尽管如此，Arm 的 SoC 中仅包含大约 128 B 的内存。在柔性电子产品中，目前不需要能够处理大量（甚至微不足道）的内存，因为此时只能构建少量的柔性内存。”

研究人员关注的另一个问题是支持设计的微架构。他们质疑他们的多周期设计方法，特别是对于电池或采集器供电的系统。

“虽然所有商业 ARMv6m 内核都是流水线的，但 PlasticArm 与 6502 一样，使用多周期设计来最小化面积——多周期设计允许结构的时间复用，”Bleier 说。“这意味着每条指令需要多个周期才能执行。这是一种可接受的技术折衷，例如以动态功率为主的传统硅技术。但这种灵活的技术以静态功耗为主导，这意味着增加每条指令的周期数相当于将执行一条指令所需的能量增加一倍、三倍、四倍等。”

UIUC 团队仍在努力实现三个关键目标：Bleier 说，研究人员希望启用完整的系统，从而为灵活的应用程序提供机密和经过身份验证的通信。他们还希望开发电路和微架构功耗降低解决方案，并在柔性电子产品的背景下探索间歇性计算（即在出现电源故障的情况下进行计算）。

审核编辑 黄昊宇