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首款可大规模生产的、制造成本低于1美分的塑料微处理器

几十年来，满怀期望的技术人员一直在承诺一个物联一切的未来：由于超级便宜的可编程塑料处理器，我们遇到的每一件物品——绷带、瓶子、香蕉——都将具有某种智能。如果您想知道为什么这还没有发生？答案是没有人能够以不到一美分的单价工业化制造数十亿美元的微处理器。

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。根据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 的工程师的说法，问题在于即使是最简单的行业标准微控制器也过于复杂，无法在塑料上批量生产。

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，可以以低于便士的价格制造。伊利诺伊团队专门设计了 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所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，这是一个足够好的数据，可以突破一分钱成本的障碍。

“几十年来，柔性电子产品一直是利基市场。”Kumar 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无法完成超廉价灵活计算的工作。 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，硅在这项任务中失败的原因有两个：一是虽然电路面积可以做得非常小，但仍然需要在边缘周围留出相对较大的空间，以便芯片可以从晶圆上切下来。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，以便数据和电流可以进入芯片。突然间，出现了大面积昂贵的空白硅片，将费用推高至关键的 0.01 美元大关。

Kumar 的团队没有将现有的微控制器架构改编为塑料，而是从头开始创建一种名为 Flexicore 的设计。 “随着门元件的增加，产量会迅速下降。”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，我们能够通过根据灵活应用程序的需求对其进行定制来简化 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。

所有这些的成果就是一个5.6平方毫米的 4 位 FlexiCore，仅由 2104 个半导体器件组成(大约与 1971 年英特尔 4004 中的晶体管数量相同)，而 PlasticARM 则由大约 56340 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，并在多个程序中以各种电压对它们进行了测试，并毫不留情地折弯它们。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产量都很差。 “据我们所知，这是第一项工作，报告了来自多个芯片的所有非硅技术的数据。”

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。

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。 专注于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 John A. Rogers 称这项工作“令人印象深刻”。 他期待着关于弯曲对电路性能影响的实验报告。

https://spectrum.ieee.org/plastic-microprocessor

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