Arm塑料芯片登Nature！0.8μm，首款柔性原生32位微處理器

編譯 |  高歌
編輯 |  心緣
芯東西7月23日消息，當?shù)貢r間7月21日，Arm首款基于柔性塑料的32位微處理器PlasticARM刊登在了頂級學術期刊《自然》上。PlasticARM由56340個NMOS（N型金屬-氧化物-半導體）晶體管和電阻器組成，面積為59.2mm²，時鐘頻率最高可達29KHz，功耗僅為21mW。PlasticARM采用了薄膜晶體管（TFT），可以彎曲到曲率半徑為3mm的程度。這款微處理器由Arm投資的英國柔性IC制造廠商PragmatIC制造，采用FlexLogIC 200mm晶圓工藝，芯片制程為0.8μm，具有低成本大批量制造潛力。

長跑6年，可用于物聯(lián)網(wǎng)等低功耗場景

在過去的20年中，存儲器、傳感器、電池、發(fā)光二極管等都出現(xiàn)了低成本的柔性解決方案。但是微處理器方面，人們卻只能將硅基微處理器管芯集成到柔性基板上，從而得到柔性化的微處理器。而這一方案，需要采用傳統(tǒng)的芯片制造工藝，成本過高，遠無法達到日常用品智能化的要求。

根據(jù)論文，PlasticARM并非要取代傳統(tǒng)的硅基芯片，但它可以真正地讓飲料瓶、食品包裝、服裝、繃帶、可穿戴設備等日常用品實現(xiàn)智能化。

基于此，Arm早在2015年就透露了基于Cortex M0的塑料片上系統(tǒng)（SoC）研發(fā)計劃。在11月24日的Arm TechCon上，時任Arm CTO的Mike Muller展示了塑料芯片樣品，他還暗示這種設計可以應用到物聯(lián)網(wǎng)等低功耗應用場景中。在活動中，Mike Muller與PragmatIC的首席執(zhí)行官Scott White進行了電話交流。但當時PragmatIC還在忙于開發(fā)一個模擬組件庫，其時間表并不明確。時間流轉到今日，長跑6年的柔性塑料微處理器終于正式發(fā)表，這是否又意味著全智能化時代的步伐正在臨近呢？
采用0.8μm工藝，邏輯門超18000個

PlasticARM采用了PragmatIC的0.8μm工藝，在其位于英國塞奇菲爾德的“fab-in-a-box”晶圓廠中制造。研究人員稱，PlasticARM擁有超過18000個邏輯門，比之前的柔性集成電路高12倍，是迄今為止最復雜的柔性集成電路。而在PlasticARM的基礎上，人們可以構建低成本、可彎曲的智能集成系統(tǒng)，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。PlasticARM也不完美。據(jù)悉，Arm正在開發(fā)低功耗單元庫，可支持多達10萬門的塑料設計，以解決柔性塑料的散熱問題。但是PragmatIC的NMOS技術可能無法實現(xiàn)10萬門的遷移，需要采用CMOS技術，而這可能還要花費數(shù)年的時間。盡管如此，研究人員預計，未來十年，PlasticARM將把超過1萬億個產(chǎn)品集成到數(shù)字世界中，為生活、科研、商業(yè)等多個維度帶來改革契機。
采用薄膜晶體管，成本較低、可彎曲

相比當今常用的金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET），Arm采用了薄膜晶體管（TFT），其在厚度、整合性和制造成本上都有著顯著優(yōu)勢。在制造工藝上，研究人員選擇了柔性電子制造技術，該技術也被稱為天然柔性加工引擎（natively flexible processing engine）。采用了這一技術制造的金屬氧化物薄膜晶體管成本較低，尺寸也符合大規(guī)模集成的要求。

值得一提的是，PlasticARM相比最近發(fā)布的柔性機器學習硬件，通用程度更高，還支持豐富的指令集，可以用于編寫機器學習等各類應用程序。PlasticARM主要分為3個層次，分別是32位CPU；包含CPU和CPU外設的32位處理器；以及包含處理器、存儲器和總線接口的片上系統(tǒng)（SoC），SoC也就是PlasticARM。其CPU為支持Armv6-M架構的Arm Cortex-M CPU。和Cortex-M0+有所不同的是，為了節(jié)省CPU面積，Cortex-M CPU的寄存器被安置到了隨機存取存儲器RAM中。而且兩個CPU彼此二進制兼容，還與同一架構系列下的其他CPU兼容。由于該SoC與Arm Cortex-M類處理器兼容，因此它可以搭載現(xiàn)有的軟件/工具，無需建設新的軟件工具生態(tài)。處理器由CPU和與CPU緊密耦合的內(nèi)嵌向量中斷控制器（NVIC）組成，用于處理來自外部設備的中斷。除了32位處理器，SoC還有存儲器（ROM/RAM）、AHB-LITE互連結構和邏輯接口、總線接口等部分。

結語：PlasticARM或成“萬物智聯(lián)”基礎

隨著PlasticARM的問世，可穿戴設備、電子皮膚等或?qū)⒂瓉硇碌陌l(fā)育機會。雖然其制程較硅基芯片較低，但是PlasticARM低成本、低功耗、可使用現(xiàn)有軟件工具的特性，或許能夠成為很多行業(yè)突破的良機。雖然PlasticARM還沒有實現(xiàn)商業(yè)化，但展望未來“萬物智聯(lián)”時代，今天將會是一個重要的節(jié)點。