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全球首個塑料ARM芯片登上Nature,成本僅同類硅芯片1/10

2021-07-29
來源:物聯網智庫

  塑料也能用于造芯片?
  是的,你沒聽錯!
  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柔性原生32位、基于ARM架構、高達18334個等效門的微處理器。
  其生產過程不涉及到硅元素,生產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網設備中派上用場。
  成果現已發表在Nature:

  塑料也可成為芯片材料
  目前,幾乎所有電子設備的微處理器都采用硅材料制成。
  而研究人員將目光轉移到了塑料材料,是因為硅有著易碎、不夠靈活、不耐壓力等缺點,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,號稱“柔術大師”,其彎曲性,靈活度、可變性很高,也是一種耐高溫的塑料,可折疊屏智能手機上就有它的應用。
  并采用金屬氧化物薄膜晶體管(TFT)技術開發。
  薄膜晶體管主要應用于液晶顯示器LCD和有機發光半導體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,在一些高端手機上使用,比OLED屏高級,但產量不及OLED。

  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。
  最終PlasticARM有13個材料層和4個可布線的金屬層。
  由32位Arm Cortex-M0+處理器衍生,可以說是M0+的全功能非硅版本。
  它完全支持ARMv6-M系列架構,為Cortex-M0+處理器生成的代碼也可以該處理器上運行。
  并與所有其他Cortex-M系列二進制兼容,與常規Cortex-M0+一樣,具有16位Thumb ISA和32位Thumb子集,數據和地址寬度均為32位,支持86條指令。

  而它與硅制M0+內核的關鍵區別在于其寄存器不在CPU內,而是映射到RAM中。
  通過從CPU中刪除寄存器并使用現有RAM作為寄存器空間,此舉以降低寄存器訪問速度為代價,實現了CPU面積約3倍的縮減。
  PlasticARM的主要參數如下:

  尺寸為59.2mm2(7.536X7.856,無焊盤),厚度不到30微米,包含56340個器件(n型TFT與電阻器)、18334個NAND2等效門,這數量比目前最好的集成電路高12倍(對比見后面的表格)。
  處理器的時鐘頻率為29kHz,消耗功率為21mW(>99%的靜態功率,45%處理器,33%內存,22%IO)。
  這聽起來可能很小,但在標準硅上實現的M0+只需要10mW多一點就能達到1.77MHz。
  另外,SoC芯片引腳一共28針,包括時鐘、復位、GPIO、電源等引腳。

  成本更低,可用于物聯網設備
  與ARM一起設計和生該芯片的公司PragmatIC表示,雖然用的材料是新的,但他們在盡可能多地借鑒硅芯片的生產過程。這樣就能實現降低成本批量生產。
  而這些芯片的成本大概是同類硅芯片的十分之一。
  斯坦福大學的電氣工程師評價道,這種芯片的復雜性及其包含的晶體管數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%用于執行計算;其余的都被浪費了。

  該工程師表示,沒準可以換別的柔性材料來降低尺寸和功率,比如碳納米管,當然這會提高成本。
  總而言之,哪種柔性材料最終有意義將取決于芯片的應用場景,硅并不總是注定要成為所有電子設備的核心。

        因此,研究人員也計劃將PlasticARM率先用來開發低成本、足夠靈活的智能集成系統,實現“萬物互聯”,在未來十年內將超過一萬億個無生命物體集成到數字世界中。




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