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機(jī)器之心編輯部
來自伊利諾伊大學(xué)厄巴納 – 香檳分校的研究小組使用 PragmatIC 的制造工藝在塑料上制造了 4 位微控制器。
想象一下，你周圍的物體到處充滿了智能，一條繃帶、一個香蕉皮、一個瓶子等都具有智能。目前來看，這種場景只能出現(xiàn)在科幻電影里。你可能會奇怪，科技飛速發(fā)展的今天，為何這一切還沒有實現(xiàn)，這是因為人類還沒有制造出價格便宜的處理器。
全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量每年以數(shù)十億的速度增長。看起來這是一個巨大的數(shù)字，但實際上這個領(lǐng)域的潛力要大得多，而且相當(dāng)昂貴的硅芯片正在阻礙它。解決方案可能是引入便宜很多倍的塑料芯片。
之前有研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了各種嘗試，例如 2021 年 Arm 重磅推出 PlasticArm M0 新型塑料芯片原型，可以直接在紙張、塑料或織物上打印電路，該芯片沒有采用硅作為基底，而是采用塑料處理器核心，這是 Arm 研究了近十年的項目，但即使這樣 Arm 的研究也無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納 – 香檳分校和英國芯片廠商 PragmatIC Semiconductor 的工程師們認(rèn)為，問題在于，即使是最簡單的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微控制器也太過復(fù)雜，無法在塑料上批量生產(chǎn)。
在本月晚些時候舉行的計算機(jī)架構(gòu)國際研討會（International Symposium on Computer Architecture）上，來自伊利諾伊大學(xué)厄巴納 – 香檳分校的研究小組展示了一種簡單但功能齊全的塑料處理器，這種處理器可以以低于 1 美分（sub-penny）的價格制造。該團(tuán)隊設(shè)計了 4 位和 8 位處理器。不過這項研究更多細(xì)節(jié)尚未公開。
團(tuán)隊負(fù)責(zé)人 Rakesh Kumar 表示，「在 4 位處理器中大約有 81% 可以工作，這足夠突破 1 美分的門檻。」
Rakesh Kumar
Kumar 表示，柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)細(xì)分市場幾十年了，該團(tuán)隊制造的處理器是使用柔性薄膜半導(dǎo)體銦鎵鋅氧化物 (IGZO) 制成的，這種薄膜半導(dǎo)體可以建立在塑料上，即使在幾毫米半徑范圍內(nèi)彎曲也能繼續(xù)工作。但是，雖然可靠的制造工藝是先決條件，但真正與眾不同的是設(shè)計。
圖源：https://technewsspace.com/scientists-have-developed-penny-plastic-flexicore-chips-they-promise-to-revolutionize-the-internet-of-things/
為什么不是硅？
你可能會疑問，為什么硅處理器不能做的超級便宜又兼具靈活計算性能？Kumar 經(jīng)過分析認(rèn)為這不可能實現(xiàn)。與塑料相比，硅既昂貴又不靈活，如果你把塑料芯片做得足夠小，其在彎曲范圍內(nèi)也能繼續(xù)工作。導(dǎo)致硅失敗的原因有兩個：一個是雖然電路的面積可以做得非常小，但你仍然需要在芯片邊緣留出相對較大的空間，以便從晶圓中切出芯片。對于一般的微控制器，芯片邊緣的空間比包含電路的區(qū)域要多。更重要的是，你還需要更多空間來安裝足夠的 I/O 焊盤（I/O pad），以便數(shù)據(jù)和電源可以進(jìn)入芯片。這樣一來，就會有空白硅片被浪費(fèi)。
Kumar 團(tuán)隊沒有將現(xiàn)有的微控制器架構(gòu)改編為塑料，而是從頭開始創(chuàng)建一種名為 Flexicore 的設(shè)計。由于廢品率隨著邏輯元件的數(shù)量而增加。了解到這一點，他們想出了另一種設(shè)計，旨在最大限度地減少所需的門數(shù)量。他們使用 4 位和 8 位邏輯而不是 16 位或 32 位邏輯。就像將存儲指令的內(nèi)存與存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)存分開一樣。但這樣伴隨而來的減少了處理器能夠執(zhí)行指令的數(shù)量和復(fù)雜性。
該團(tuán)隊進(jìn)一步簡化了處理器的設(shè)計，將處理器設(shè)計為在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行指令，而不是當(dāng)今 CPU 的 multistep pipeline 形式。然后他們通過重用部件來實現(xiàn)這些指令的邏輯，這進(jìn)一步減少了門數(shù)?！缚偟膩碚f，我們能夠根據(jù)靈活應(yīng)用程序的需求對其進(jìn)行定制來簡化 FlexiCores 的設(shè)計，這些應(yīng)用程序往往在計算上很簡單，」Kumar 的學(xué)生 Nathaniel Bleier 表示。
通過以上設(shè)計，該團(tuán)隊實現(xiàn)了一個具有 5.6 mm^2 的 4 位 FlexiCore 芯片 ，僅由 2104 個半導(dǎo)體器件組成（大約與 1971 年經(jīng)典 Intel 4004 中的晶體管數(shù)量相同），而去年 Arm 團(tuán)隊開發(fā)出的軟性微處理器 PlasticARM 則由大約 56340 個器件組成?！妇烷T數(shù)而言，F(xiàn)lexiCore 比最小的硅微控制器少一個數(shù)量級，」Nathaniel Bleier 表示。
工程師使用 PragmatIC 的制造工藝在塑料上制造 4 位微控制器。
FlexiCore 還具有優(yōu)化的板載內(nèi)存和指令集，可最大限度地減少晶體管數(shù)量并降低復(fù)雜性。研究人員還設(shè)計了邏輯元件，使他們可以使用最少的晶體管。畢竟，處理器被設(shè)計為在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。
此外該團(tuán)隊還開發(fā)了 8 位版本的 FlexiCore，但效果不佳。
「這正是支持真正無處不在的電子產(chǎn)品所需的設(shè)計創(chuàng)新，」 PragmatIC Semiconductor 首席執(zhí)行官 Scott White 表示。
借助 PragmatIC 技術(shù)，該團(tuán)隊生產(chǎn)了具有 4 位和 8 位處理器的塑料涂層晶圓，并在多個程序中以不同電壓對它們進(jìn)行測試，并毫不留情地進(jìn)行彎曲。這個實驗看起來很基礎(chǔ)，但根據(jù) Kumar 的說法，它是開創(chuàng)性的。大多數(shù)使用非硅技術(shù)構(gòu)建的處理器產(chǎn)量都很差，以至于只能從一個或最多幾個可工作的芯片中報告結(jié)果?！笓?jù)了解，這是首次可以報告來自多個芯片的非硅技術(shù)的數(shù)據(jù)，」Kumar 表示。
PragmatIC 一直致力于低成本芯片
Kumar 觀察到，芯片行業(yè)的目標(biāo)是兼顧功率和性能指標(biāo)，以及某種程度的可靠性。他們并沒有將重點放在成本、一致性和芯片薄度上。而是將重點放在構(gòu)建新的計算機(jī)架構(gòu)并瞄準(zhǔn)新的應(yīng)用程序上。
美國西北大學(xué)的柔性電子先驅(qū) John A. Rogers 稱這項工作令人印象深刻，并期待這項研究的后續(xù)發(fā)展。
當(dāng)然，這只是迄今為止這項研究的工作，在 FlexiCore 解決方案或類似解決方案上市之前還有很多工作要做。然而，研究人員已經(jīng)嘗試針對不同的流程和目標(biāo)工作負(fù)載優(yōu)化他們的解決方案，并取得了一些成功。還有關(guān)于彎曲如何影響性能以及塑料芯片的耐用性的問題。
然而，隨著如此便宜的塑料處理器和柔性電子產(chǎn)品成為主流，我們很快就會看到真正無處不在的電子產(chǎn)品的曙光。這種芯片可以放置在幾乎任何產(chǎn)品的包裝上或醫(yī)療貼片上，應(yīng)用領(lǐng)域不在受限制。
參考文獻(xiàn)：
https://spectrum.ieee.org/plastic-microprocessor
https://www.hackster.io/news/flexicore-boosts-pragmatic-s-yield-to-offer-basic-yet-functional-sub-penny-plastic-processors-4a1191483ab8
