Arm塑料芯片登Nature：0.8μm，首款柔性原生32位微处理器

芯东西

编译 | 高歌

编辑 | 心缘

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。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03625-w

一、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。

▲Arm时任CTO Mike Muller在展示塑料芯片样品

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？

二、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。

三、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。

▲配有I/O的柔性Arm Cortex-M SoC

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。

▲PlasticARM结构（左）与2款CPU对比（右）

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。

来源：《自然》、eeNews Europe