塑料也能造芯片?全球首个柔性原生32位ARM架构微处理器问世!

林志佳

林志佳

· 7月22日

尽管有很多柔性电子产品对外发售,但从未有过1.8万逻辑门这种规模。

播放 暂停

塑料也能造芯片?全球首个柔性原生32位ARM架构微处理器问世!

00:00 10:56

(图片来源:pixabay)

(图片来源:pixabay)

全球首个柔性原生32位微处理器终于问世!

钛媒体7月22日消息,科学期刊英国《Nature》(自然)杂志今天凌晨发表了一项电子行业最新突破性技术进展:由Arm公司领衔,联合全球柔性电子产品供应商PragmatIC等机构,结合金属氧化物薄膜晶体管(TFT)和柔性聚酰亚胺(一种耐高温的塑料),制成了全球首个柔性原生32位、基于ARM架构、高达18334个等效门的微处理器PlasticARM。该芯片有望推动低成本、全柔性智能半导体与集成电路产业的发展。

本论文通讯作者、Arm研究院首席研究工程师、英国PlasticArmPit项目负责人埃姆雷·厄泽尔(Emre Ozer)在接受钛媒体App专访时表示,该研究展示了全球第一个原生柔性的32位Arm微处理器,它将极大扩展基于Arm技术的潜在应用范围,有望应用于牛奶瓶外壳的电子标签、伤口护理和医疗保健的智能贴片等场景中,数以百万计的电子产品可从中受益。

科技部下属的《科技日报》则对该研究评价指:一直以来,微处理器制造所用的材料基本上都是硅,此次新材料的加入使其多了“柔”的特性,结合它的实用性,这一新成果可极大推动智能设备、物联网等应用领域的发展。

塑料也能成为芯片材料,柔性不完全要放弃硅

近50年前,英特尔创造了世界上第一个可商业量产的微处理器——Intel 4004,这是一个仅4位的CPU(中央处理单元),具有2300个晶体管,使用10um工艺技术在硅基材料中制造,只能进行简单的运算计算。

自从取得这一突破性成就以来,随着技术的不断发展,芯片结构越来越复杂,目前最先进的硅64位微处理器达到5nm制程工艺,包括英伟达最强AI芯片A100、亚马逊AWS的Graviton2等芯片均拥有超300亿个晶体管。正如芯片专家詹姆斯·迈尔斯(James Myers)所说,“我们依照摩尔定律‘在硅中游泳’ ”。

尽管基于硅材料的微处理器是所有电子设备的核心,包括智能手机、电脑、路由器、服务器、汽车等产品都用硅芯片。但其也有诸多问题,比如易碎、不灵活的、不耐压力等,甚至硅芯片价格随着工艺难度的增加也变得越来越贵,限制了其在日常智能应用制造上的可行性,如食品包装和服装等。

如今全球缺芯加剧,因此,柔性材料用于电子学这一重要话题成为了新趋势。但生产柔性微处理器,还要有足够多晶体管进行有意义的计算,这一直都是个巨大难题。

柔性电子器件背后的流程非常简单:从柔性基底(如塑料或纸)开始,用它作为制造柔性半导体薄层的衬底,利用新介质和定制化的制造设备进行加工。从原子大小薄的材料到半导体聚合物,各种各样的芯片可以利用这一流程实现量产。

英国《自然》杂志发表的这篇研究成果是由Arm Ltd公司的科研团队领衔。基于新的合成材料,新的指令集架构,通过行业标准芯片实现工具的PragmatIC 0.8μm工艺,Arm团队由此设计出全球首个柔性原生32位、基于ARM架构的微处理器PlasticARM。
(来源:论文)

PlasticARM处理器结构图(来源:论文)

在合成材料部分,与在硅晶圆上制造硅基晶体管 (MOSFET) 不同的是,Arm公司团队使用了一种“非晶硅”的新型材料。基于厚度小于30 μm的聚柔性聚酰亚胺(一种耐高温的塑料)衬底上,利用PragmatIC的FlexIC 0.8μm工艺,与金属氧化物薄膜晶体管(TFT)结合构成柔性微处理器。所有关键部件——32位CPU处理器、RAM、ROM 和互连——均使用非晶硅制成,并在柔性聚合物上制造。

这并非是完全放弃硅基的晶体管,而是基于“硅”材料技术加上柔性特质。该研究的合作者、PragmatIC技术高级副总裁Catherine Ramsdale解释指,虽然材料是新的,但其与Arm团队的想法是,尽可能多地借鉴硅芯片的生产过程,与硅器件的一致性是关键,这样更容易批量生产芯片并降低成本。

据悉,非晶硅材料以有序原子阵列的形式存在,可用作太阳能电池板和液晶显示器等,价格上也很便宜,加工技术更简单,还可以缩小到规模化集成所需的较小尺寸。比如,PlasticARM的CPU部分面积大幅减少约3倍,时钟频率最高可达29kHz,功耗仅为21mW。

根据论文所述,PlasticARM的面积为59.2平方米,其中处理器面积占45%,存储器占33%,外设占22%。并且,“PlasticARM”处理器拥有更多晶体管,包含18,334个NAND2等效逻辑门,比此前金属氧化物薄膜晶体管构成的最佳柔性集成电路多12倍的逻辑门。这使PlasticARM成为迄今为止最复杂的柔性集成电路FlexIC技术。

研究人员表示,这一纤薄、低成本的柔性微处理器或可为日用品的智能化开拓道路。

除了制造部分,在指令集架构上PlasticARM也做了诸多创新。Arm公司与PragmatIC合作,联合研发出一种32位Arm Cortex-M0+处理器指令集版本,可以执行ARM Thumb指令的简化子集,甚至兼容Armv6-M架构中的Arm Cortex-M类处理器。并且,研究人员还针对小型和低功耗使用进行了优化,让其用作嵌入式处理器,实现最小能耗。

厄泽尔在接受钛媒体App专访时表示,这一过程中的设计技术复杂性,以及生产良率是他们团队面临的重要挑战,特别是较差的噪声容限、高功耗、以及大的工艺偏差,这些都是团队需要不断克服并予以解决的。

不过,PlasticArm处理器被集成在一个可从内部存储器运行的电路内,当前版本在装配之后不能更新。但研究团队认为,未来迭代能实现可编程的存储器。

厄泽尔指出,虽然硅的性能、密度和能效超过了柔性处理器,但PlasticArm的许多潜在用途对性能要求不高,主要像是需要感测、分析少量真实世界数据,并将其传送到显示器或更复杂的系统进行记录和散布信息的场景。

厄泽尔对钛媒体App表示,在硅芯片不是一个可行的选择时(主要考量成本的情况下),嵌入处理器技术是可能是未来发展趋势,其应用范围很广,可以实现“万物互联”,包括在未来十年内,将超过一万亿个无生命物体集成到数字世界中。而微处理器的技术创新,可以给整个行业带来各种研究和商业机会。

据了解,厄泽尔所在的Arm研发团队已计划下一步改进、升级迭代PlasticARM处理器产品,主要涉及降低功耗等。此外,研究人员还希望下一代处理器的等效逻辑门数提高到10万以上。

后摩尔时代重构全球芯片产业

近期多家外媒报道,英特尔计划出价20亿美元收购一家名为SiFive的公司,后者是美国一家基于开源RISC-V架构的芯片设计企业。此外,英特尔还在规划量子芯片、光芯片等新技术。

这些消息让人很意外,提出摩尔定律的英特尔,原本坚持x86架构,坚持硅制造工艺,如今也开始“叛变”。

近两年,随着算力重要性不断凸显,人工智能技术的不断发展,摩尔定律趋缓,IPU、NPU、ASIC、通用GPGPU等芯片概念应运而出,x86、ARM、RISC-V等指令集架构重新大洗牌,EDA技术进入2.0时代,而氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等第三代半导体材料重装上阵,有望重构硅半导体产业链。

天风证券研报指出,超越摩尔定律相关技术发展的重点,存在3条技术路线:

一是发展不依赖于特征尺寸不断微缩的特色工艺,以此扩展集成电路芯片功能;

二是将不同功能的芯片和元器件组装在一起封装,实现异构集成。其创新点在于推出各种先进封装技术,具有降低芯片设计难度、制造便捷快速和降低成本等优势;

三是在材料环节创新,发展第三代半导体。先进封装市场具有潜在颠覆性,预计2025可达430亿美元。而第三代半导体,材料工艺是芯片研发的主旋律。

中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明日前表示,后摩尔时代正重构全球芯片产业,同时也给予了中国追赶世界半导体产业的一个机会。

据吴汉明介绍,目前国内已经有公司通过“成熟工艺+异构集成”的方式,利用40nm的成熟工艺+异构集成,产品性能可与16nm媲美。“这也代表着后摩尔时代的技术延伸和发展方向。”

后摩尔时代,正是一个多赛道变道竞技的时代。工信部电子信息司司长乔跃山表示,2020年,中国集成电路产业规模达到8848亿元,“十三五”期间年均增速接近20%,为全球同期增速的4倍。未来在中国经济稳健增长的态势下,在5G、云计算、物联网、人工智能、智能网联汽车等新型应用的驱动下,中国集成电路市场需求仍将持续增长。

“尤其是物联网的发展,推动大数据、云计算和人工智能的发展。”国家信息化专家咨询委员会原常务副主任周宏仁指出,数字化、网络化、智能化技术的应用开始向各种产品渗透,因为全球“物”的数量巨大,“用户”数量将以百亿计。如此庞大的应用需求,势必影响核心芯片技术的下一轮革命性变革,所需的核心芯片技术的体系架构还在成形之中,是当前全球芯片和产业界竞争的焦点。

周宏仁认为,芯片产业要面向未来,不要揪着x86和ARM的体系架构不放,而要放眼“大智物云”的发展需求,做前瞻性的赶超部署。在关键技术领域实现引领性创新突破,符合中国的实际需求,

周宏仁强调,“我们要用有限的人才和社会资源,突出战略重点,力争引领下一代核心芯片技术的发展。”

(本文首发钛媒体App,作者|林志佳)

本文系作者林志佳授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
本文观点仅代表作者本人,钛媒体平台仅对用户提供信息及决策参考,本文不构成投资建议。
想和千万钛媒体用户分享你的新奇观点和发现,点击这里投稿 。创业或融资寻求报道,点击这里

敬原创,有钛度,得赞赏

”支持原创,赞赏一下“
钛粉70544 先进团队先用飞书 钛粉33131 钛粉53759 hSmXxU 大山之子
476人已赞赏 >
476换成打赏总人数476人赞赏钛媒体文章
关闭弹窗

挺钛度,加点码!

  • ¥ 5
  • ¥ 10
  • ¥ 20
  • ¥ 50
  • ¥ 100

支付方式

确认支付
关闭弹窗

支付

支付金额:¥6

关闭弹窗
sussess

赞赏金额:¥ 6

赞赏时间:2020.02.11 17:32

关闭弹窗 关闭弹窗

Oh! no

您是否确认要删除该条评论吗?

注册邮箱未验证

我们已向下方邮箱发送了验证邮件,请查收并按提示验证您的邮箱。

如果您没有收到邮件,请留意垃圾邮件箱。

更换邮箱

您当前使用的邮箱可能无法接收验证邮件,建议您更换邮箱

账号合并

经检测,你是“钛媒体”和“商业价值”的注册用户。现在,我们对两个产品因进行整合,需要您选择一个账号用来登录。无论您选择哪个账号,两个账号的原有信息都会合并在一起。对于给您造成的不便,我们深感歉意。