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Arm塑料芯片登Nature:采用0.8μm工艺,逻辑门超18000个

2021-07-23 17:00:19来源:芯东西

7 月 23 日消息,当地时间 7 月 21 日,Arm 首款基于柔性塑料的 32 位微处理器 PlasticARM 刊登在了顶级学术期刊《自然》上。

PlasticARM 由 56340 个 NMOS(N 型金属-氧化物-半导体)晶体管和电阻器组成,面积为 59.2mm2,时钟频率最高可达 29KHz,功耗仅为 21mW。PlasticARM 采用了薄膜晶体管(TFT),可以弯曲到曲率半径为 3mm 的程度。

这款微处理器由 Arm 投资的英国柔性 IC 制造厂商 PragmatIC 制造,采用 FlexLogIC 200mm 晶圆工艺,芯片制程为 0.8μm,具有低成本大批量制造潜力。

01. 长跑 6 年,可用于物联网等低功耗场景

在过去的 20 年中,存储器、传感器、电池、发光二极管等都出现了低成本的柔性解决方案。但是微处理器方面,人们却只能将硅基微处理器管芯集成到柔性基板上,从而得到柔性化的微处理器。而这一方案,需要采用传统的芯片制造工艺,成本过高,远无法达到日常用品智能化的要求。

根据论文,PlasticARM 并非要取代传统的硅基芯片,但它可以真正地让饮料瓶、食品包装、服装、绷带、可穿戴设备等日常用品实现智能化。

基于此,Arm 早在 2015 年就透露了基于 Cortex M0 的塑料片上系统(SoC)研发计划。在 11 月 24 日的 Arm TechCon 上,时任 Arm CTO 的 Mike Muller 展示了塑料芯片样品,他还暗示这种设计可以应用到物联网等低功耗应用场景中。

在活动中,Mike Muller 与 PragmatIC 的首席执行官 Scott White 进行了电话交流。但当时 PragmatIC 还在忙于开发一个模拟组件库,其时间表并不明确。

时间流转到今日,长跑 6 年的柔性塑料微处理器终于正式发表,这是否又意味着全智能化时代的步伐正在临近呢?

02. 采用 0.8μm 工艺,逻辑门超 18000 个

PlasticARM 采用了 PragmatIC 的 0.8μm 工艺,在其位于英国塞奇菲尔德的“fab-in-a-box”晶圆厂中制造。

研究人员称,PlasticARM 拥有超过 18000 个逻辑门,比之前的柔性集成电路高 12 倍,是迄今为止最复杂的柔性集成电路。而在 PlasticARM 的基础上,人们可以构建低成本、可弯曲的智能集成系统,实现真正的“万物互联”。

PlasticARM 也不完美。据悉,Arm 正在开发低功耗单元库,可支持多达 10 万门的塑料设计,以解决柔性塑料的散热问题。但是 PragmatIC 的 NMOS 技术可能无法实现 10 万门的迁移,需要采用 CMOS 技术,而这可能还要花费数年的时间。

尽管如此,研究人员预计,未来十年,PlasticARM 将把超过 1 万亿个产品集成到数字世界中,为生活、科研、商业等多个维度带来改革契机。

03. 采用薄膜晶体管,成本较低、可弯曲

相比当今常用的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET),Arm 采用了薄膜晶体管(TFT),其在厚度、整合性和制造成本上都有着显著优势。

在制造工艺上,研究人员选择了柔性电子制造技术,该技术也被称为天然柔性加工引擎(natively flexible processing engine)。采用了这一技术制造的金属氧化物薄膜晶体管成本较低,尺寸也符合大规模集成的要求。

值得一提的是,PlasticARM 相比最近发布的柔性机器学习硬件,通用程度更高,还支持丰富的指令集,可以用于编写机器学习等各类应用程序。

PlasticARM 主要分为 3 个层次,分别是 32 位 CPU;包含 CPU 和 CPU 外设的 32 位处理器;以及包含处理器、存储器和总线接口的片上系统(SoC),SoC 也就是 PlasticARM。

其 CPU 为支持 Armv6-M 架构的 Arm Cortex-M CPU。和 Cortex-M0 + 有所不同的是,为了节省 CPU 面积,Cortex-M CPU 的寄存器被安置到了随机存取存储器 RAM 中。而且两个 CPU 彼此二进制兼容,还与同一架构系列下的其他 CPU 兼容。

由于该 SoC 与 Arm Cortex-M 类处理器兼容,因此它可以搭载现有的软件/工具,无需建设新的软件工具生态。

处理器由 CPU 和与 CPU 紧密耦合的内嵌向量中断控制器(NVIC)组成,用于处理来自外部设备的中断。

除了 32 位处理器,SoC 还有存储器(ROM/RAM)、AHB-LITE 互连结构和逻辑接口、总线接口等部分。

04. 结语:PlasticARM 或成“万物智联”基础

随着 PlasticARM 的问世,可穿戴设备、电子皮肤等或将迎来新的发育机会。虽然其制程较硅基芯片较低,但是 PlasticARM 低成本、低功耗、可使用现有软件工具的特性,或许能够成为很多行业突破的良机。

虽然 PlasticARM 还没有实现商业化,但展望未来“万物智联”时代,今天将会是一个重要的节点。

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