全球首個(gè)塑料ARM芯片登上Nature：成本僅同類硅芯片1/10
[導(dǎo)讀]塑料也能用于造芯片？是的，你沒(méi)聽(tīng)錯(cuò)！ARM公司宣布他們用一種塑料和薄膜晶體管制成了一種新的處理器PlasticArm。（圖為顯微鏡下的照片）該處理器是全球首個(gè)柔性原生32位、基于ARM架構(gòu)、高達(dá)18334個(gè)等效門的微處理器。其生產(chǎn)過(guò)程不涉及到硅元素，生產(chǎn)成本大概為同類硅芯片的1/...
塑料也能用于造芯片？
是的，你沒(méi)聽(tīng)錯(cuò)！
ARM公司宣布他們用一種塑料和薄膜晶體管制成了一種新的處理器PlasticArm。（圖為顯微鏡下的照片）
該處理器是全球首個(gè)柔性原生32位、基于ARM架構(gòu)、高達(dá)18334個(gè)等效門的微處理器。
其生產(chǎn)過(guò)程不涉及到硅元素，生產(chǎn)成本大概為同類硅芯片的1/10。
而這一柔軟靈活、低成本的微處理器將在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中派上用場(chǎng)。
成果現(xiàn)已發(fā)表在Nature：
塑料也可成為芯片材料
目前，幾乎所有電子設(shè)備的微處理器都采用硅材料制成。而研究人員將目光轉(zhuǎn)移到了塑料材料，是因?yàn)楣栌兄姿?、不夠靈活、不耐壓力等缺點(diǎn)，這限制了其在日常用品智能化上的可行性。
新的處理器用的塑料叫做聚酰亞胺，號(hào)稱“柔術(shù)大師”，其彎曲性，靈活度、可變性很高，也是一種耐高溫的塑料，可折疊屏智能手機(jī)上就有它的應(yīng)用。并采用金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）技術(shù)開(kāi)發(fā)。薄膜晶體管主要應(yīng)用于液晶顯示器LCD和有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體OLED中。
制作方法為在厚度小于30μm的柔性聚酰亞胺襯底上，利用PragmatIC公司的FlexIC 0.8μm工藝，與IGZO薄膜晶體管結(jié)合，最終制成該柔性微處理器。IGZO：氧化銦鎵鋅，一種LCD薄膜晶體管顯示器技術(shù)，在一些高端手機(jī)上使用，比OLED屏高級(jí)，但產(chǎn)量不及OLED。
PlasticArm架構(gòu)
可以看出，這仍然是一種光刻工藝，采用了旋涂和光刻膠技術(shù)。最終PlasticARM有13個(gè)材料層和4個(gè)可布線的金屬層。由32位Arm Cortex-M0 處理器衍生，可以說(shuō)是M0 的全功能非硅版本。它完全支持ARMv6-M系列架構(gòu)，為Cortex-M0 處理器生成的代碼也可以該處理器上運(yùn)行。并與所有其他Cortex-M系列二進(jìn)制兼容，與常規(guī)Cortex-M0 一樣，具有16位Thumb ISA和32位Thumb子集，數(shù)據(jù)和地址寬度均為32位，支持86條指令。
而它與硅制M0 內(nèi)核的關(guān)鍵區(qū)別在于其寄存器不在CPU內(nèi)，而是映射到RAM中。通過(guò)從CPU中刪除寄存器并使用現(xiàn)有RAM作為寄存器空間，此舉以降低寄存器訪問(wèn)速度為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)了CPU面積約3倍的縮減。
PlasticARM的主要參數(shù)如下：
尺寸為59.2mm2（7.536X7.856，無(wú)焊盤），厚度不到30微米，包含56340個(gè)器件（n型TFT與電阻器）、18334個(gè)NAND2等效門，這數(shù)量比目前最好的集成電路高12倍（對(duì)比見(jiàn)后面的表格）。處理器的時(shí)鐘頻率為29kHz，消耗功率為21mW（>99%的靜態(tài)功率，45%處理器，33%內(nèi)存，22%IO）。這聽(tīng)起來(lái)可能很小，但在標(biāo)準(zhǔn)硅上實(shí)現(xiàn)的M0 只需要10mW多一點(diǎn)就能達(dá)到1.77MHz。
另外，SoC芯片引腳一共28針，包括時(shí)鐘、復(fù)位、GPIO、電源等引腳。
下面是PlasticARM與其他金屬氧化物TFT構(gòu)建的柔性集成電路對(duì)比：
成本更低，可用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備
與ARM一起設(shè)計(jì)和生該芯片的公司PragmatIC表示，雖然用的材料是新的，但他們?cè)诒M可能多地借鑒硅芯片的生產(chǎn)過(guò)程。這樣就能實(shí)現(xiàn)降低成本批量生產(chǎn)。而這些芯片的成本大概是同類硅芯片的十分之一。斯坦福大學(xué)的電氣工程師評(píng)價(jià)道，這種芯片的復(fù)雜性及其包含的晶體管數(shù)量給他留下了深刻印象。
但它也還有局限性：該芯片消耗21毫瓦的能量，但其中只有1%用于執(zhí)行計(jì)算；其余的都被浪費(fèi)了。這主要是它只采用了n型晶體管（但受到該芯片使用的材料限制，p型并不好設(shè)計(jì)）。該工程師表示，沒(méi)準(zhǔn)可以換別的柔性材料來(lái)降低尺寸和功率，比如碳納米管，當(dāng)然這會(huì)提高成本。
總而言之，哪種柔性材料最終有意義將取決于芯片的應(yīng)用場(chǎng)景，硅并不總是注定要成為所有電子設(shè)備的核心。
雖然Arm的設(shè)計(jì)似乎沒(méi)有證明任何理論突破，但這表明可以生產(chǎn)出一種相對(duì)容易制造和使用的處理器用于實(shí)際的電子設(shè)備。這就是其中令人興奮的部分。因此，研究人員也計(jì)劃將PlasticARM率先用來(lái)開(kāi)發(fā)低成本、足夠靈活的智能集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”，在未來(lái)十年內(nèi)將超過(guò)一萬(wàn)億個(gè)無(wú)生命物體集成到數(shù)字世界中。END
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