第一个可量产的柔性处理器

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-06-15 09:17

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来源:内容由半 导体行业观察(ID:icbank) 编译自IEEE ,谢谢。


几十年来,充满希望的技术人员一直在追求一个世界,在这个世界中,由于超级便宜的可编程塑料处理器,你遇到的每一件物品——绷带、瓶子、香蕉——都会有某种智能。如果您一直想知道为什么还没有发生这种情况,那就是没有人能够制造出数十亿美元的工作处理器,每个处理器的成本不到一美分。


不是因为不想尝试;2021 年,Arm 用塑料复制了其最简单的 32 位微控制器 M0,但即使这样也无法达到标准。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和英国柔性电子制造商PragmatIC Semiconductor的工程师表示,问题在于即使是最简单的行业标准微控制器也过于复杂,无法在塑料上批量制造。


在本月晚些时候的国际计算机体系结构研讨会上进行的研究中,跨大西洋团队展示了一种简单但功能齐全的塑料处理器,该处理器可以以低于一便士的价格制造。伊利诺伊州团队专门设计了 4 位和 8 位处理器,以最大限度地减小尺寸并最大限度地提高生产的工作集成电路的百分比。81% 的 4 位版本有效,团队负责人Rakesh Kumar 说,这已经足够好,可以突破一分钱的障碍。


“几十年来,柔性电子产品一直是利基市场,”kumar说。他补充说,这项产量研究表明“他们可能已经为主流做好了准备。”


他的团队制造的处理器是使用柔性薄膜半导体铟镓锌氧化物 (IGZO) 制成的,这种薄膜半导体可以建立在塑料上,即使在几毫米半径范围内弯曲也能继续工作。但是,虽然可靠的制造工艺是先决条件,但真正与众不同的是设计。


为什么不是硅?


您可能想知道为什么硅处理器不能完成超便宜的灵活计算工作。Kumar 的分析表明它不会起作用。与塑料相比,硅既昂贵又不灵活,但如果你把芯片做得足够小,塑料就可以在它周围弯曲。然而,硅在这个任务中失败的原因有两个:一个是虽然电路的面积可以做得非常小,但你仍然需要在边缘周围留出相对较大的空间,以便芯片可以从芯片中切出。晶圆。对于像 Flexicore 这样简单的微控制器,边缘周围的空间比包含电路的区域要多。更重要的是,您还需要更多空间来安装足够的 I/O 焊盘,以便数据和电源可以进入芯片。突然间,你得到了一大片昂贵的空白硅片,


Kumar 的团队没有将现有的微控制器架构改编为塑料,而是从头开始创建了一种名为 Flexicore 的设计。“随着门数的增加,良率会迅速下降,”Kumar 说。知道了这一点,他们想出了一种设计,旨在最大限度地减少所需的门数量。使用 4 位和 8 位逻辑而不是 16 位或 32 位会有所帮助。就像将存储指令的内存与存储数据的内存分开一样。但它们也减少了处理器能够执行的指令的数量和复杂性。


该团队进一步简化了处理器,将处理器设计为在单个时钟周期内执行指令,而不是当今 CPU 的多步流水线。然后他们设计了通过重用部件来实现这些指令的逻辑,进一步减少了门数。“总的来说,我们能够根据灵活应用程序的需求对其进行定制,从而简化 FlexiCores 的设计,这些应用程序往往在计算上很简单,”Kumar 的学生 Nathaniel Bleier 说。


所有这些催生了一个 5.6 平方毫米的 4 位 FlexiCore ,它仅由 2,104 个半导体器件组成(与 1971 年的 Intel 4004 中的晶体管数量大致相同),而 PlasticARM 则由大约 56,340 个器件组成。“就门数而言,它比最小的硅微控制器少一个数量级,”他说。该团队还开发了 8 位版本的 FlexiCore,但效果不佳。


“这正是支持真正无处不在的电子产品所需的设计创新,” PragmatIC Semiconductor 首席执行官Scott White说。


借助 PragmatIC,伊利诺伊州的团队生产了充满 4 位和 8 位处理器的塑料涂层晶圆,并在多个程序上以各种电压对它们进行了测试,并毫不留情地弯曲它们。这个实验看起来很基础,但根据 Kumar 的说法,它是开创性的。大多数使用非硅技术构建的研究处理器的良率都很差,以至于只能从一个或最多几个工作芯片报告结果。“据我们所知,这是第一项工作,任何人都报告了来自多个芯片的任何非硅技术的数据,”他说。


Kumar 的团队对这一成功并不满意,因此想出了一个设计工具来探索针对不同应用程序的架构优化。例如,该工具表明,通过允许门数增加一点,可以显着降低功耗。


Kumar 观察到,芯片行业的目标是“功率和性能指标以及某种程度的可靠性”。“我们没有关注成本、一致性和薄度。关注这些使我们能够构建新的计算机架构并瞄准新的应用程序。”


西北大学的柔性电子先驱约翰 A. 罗杰斯称这项工作“非常令人印象深刻”。他期待着对弯曲对电路性能影响的实验研究。


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