重大設(shè)計轉(zhuǎn)變可能很快將產(chǎn)生出價格低廉的柔性芯片。

幾十年來，滿懷希望的技術(shù)人員一直令人期待這樣一個世界：借助超低價的可編程塑料處理器，繃帶、瓶子、香蕉等一切物體都將具備某種智能。也許你想知道為什么這種情況尚未出現(xiàn)，那是因為沒有人能以不到1美分的單價，制造數(shù)十億支可用的處理器。

這不是因為缺少努力。2021年，Arm用塑料重新制造其最簡單的32位微控制器M0，但即便如此也不能指望實現(xiàn)預(yù)期效果。伊利諾伊大學(xué)香檳分校和英國柔性電子產(chǎn)品制造商PragmatIC Semiconductor的工程師表示，問題在于，如果用塑料進(jìn)行大批量生產(chǎn)，即便是最簡單的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微控制器也顯得非常復(fù)雜。

2022年6月，在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國際研討會上，這個跨大西洋的團(tuán)隊介紹了一種簡單但功能完善的塑料處理器，其制造成本可以低于1美分。伊利諾伊團(tuán)隊專門設(shè)計了4位和8位處理器，將尺寸最小化，并最大限度地提高生產(chǎn)可用集成電路的百分比。該團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人拉凱什?庫馬爾（Rakesh Kumar）說，81%的4位處理器是可用的，這么好的成品率足以突破1美分的門檻。

庫馬爾說：“幾十年來，柔性電子產(chǎn)品一直屬于小眾市場。”他補(bǔ)充道，這項成品率研究表明“它們可能已經(jīng)準(zhǔn)備好成為主流”。

這種處理器采用氧化銦鎵鋅柔性薄膜半導(dǎo)體制造，可以在塑料上構(gòu)建，即使彎曲半徑為幾毫米，也可以繼續(xù)工作。但先決條件是有可靠的制造工藝，關(guān)鍵在于設(shè)計。

庫馬爾的團(tuán)隊并沒有讓現(xiàn)有微控制器結(jié)構(gòu)來適應(yīng)塑料，而是從頭開始，創(chuàng)造了一種名為“FlexiCore”的設(shè)計。“隨著邏輯門數(shù)量的增多，成品率下降得非常快。”庫馬爾說。認(rèn)識到這一點(diǎn)，他們提出了一種將所需門數(shù)最小化的設(shè)計。使用4位和8位邏輯而非16位或32位是有幫助的。將存儲指令的存儲器與存儲數(shù)據(jù)的存儲器分開也是如此。此外，他們還減少處理器能執(zhí)行指令的數(shù)量，并降低指令的復(fù)雜性。

該團(tuán)隊對設(shè)計做了進(jìn)一步簡化，安排處理器在單一時鐘周期執(zhí)行指令，而不是采用當(dāng)今CPU的多級管道。此外，他們還設(shè)計邏輯重復(fù)使用部件執(zhí)行指令，從而進(jìn)一步減少邏輯門數(shù)。“總之，我們簡化了FlexiCore設(shè)計，可根據(jù)柔性應(yīng)用的需求來進(jìn)行剪裁，柔性應(yīng)用趨向于計算簡單。”庫馬爾的學(xué)生納撒尼爾?布萊葉（Nathaniel Bleier）說。

由此打造的4位FlexiCore僅5.6平方毫米，由2104個半導(dǎo)體元件組成（大約相當(dāng)于1971年英特爾4004中晶體管的數(shù)量），而PlasticArm中半導(dǎo)體元件的數(shù)量多達(dá)3.8萬個。

“就邏輯門數(shù)而言，它比最小的硅微控制器要低1個數(shù)量級。”他說。此外，該團(tuán)隊還開發(fā)了8位版本的FlexiCore，但效果并不好。

“要支持真正無處不在的電子器件，這正是我們需要的設(shè)計創(chuàng)新。”PragmatIC的首席執(zhí)行官斯科特?懷特（Scott White）說。

伊利諾伊團(tuán)隊與PragmatIC合作生產(chǎn)出鋪滿4位和8位處理器的塑料涂層晶圓，并通過多個程序、多種電壓并施加壓力使其彎曲，對其進(jìn)行測試。這種實驗看起來很基礎(chǔ)，但庫馬爾表示，它是開創(chuàng)性的。大多數(shù)研究采用非硅技術(shù)制造的處理器成品率很低，只有1個或最多幾個可工作的芯片可報告結(jié)果。

“據(jù)我們了解，對所有非硅技術(shù)，這是首次多芯片報告的數(shù)據(jù)。”他說。

庫馬爾的團(tuán)隊并不滿足于這種成就，他們創(chuàng)造了一種設(shè)計工具，探索針對不同應(yīng)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。例如，該工具顯示，略微提高邏輯門數(shù)可明顯降低耗電量。

庫馬爾注意到，芯片行業(yè)的目標(biāo)一直是“兼顧功率和性能，以及一定程度的可靠性。我們一直沒有關(guān)注成本、保型性和薄度。如果注重這些因素，我們將創(chuàng)建新的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，面向新的應(yīng)用。”

美國西北大學(xué)的柔性電子先驅(qū)約翰?A. 羅杰斯（John A. Rogers）稱這項工作“令人印象深刻””并期待電路性能的彎曲效果實驗研究。

為什么不是硅？

你也許會有疑問，為什么硅處理器不能實現(xiàn)超低價柔性計算？庫馬爾分析認(rèn)為這無法實現(xiàn)。如果把芯片做得非常小，塑料就可以實現(xiàn)柔性彎曲。然而，硅還是無法勝任，原因有二：首先，雖然電路的面積可以做到非常小，但仍需要在芯片邊緣周圍保留相對較大的空間，以便從晶圓中切出芯片。對于像FlexiCore一樣簡單的微控制器，邊緣周圍的空間將大于載有電路的區(qū)域。第二，如果采用硅，就需要更多的空間安置足夠的I/O焊盤，以便數(shù)據(jù)和電源進(jìn)入芯片。這樣一來，硅片就會出現(xiàn)大塊的空白區(qū)域，其成本就會超過1美分這一關(guān)鍵指標(biāo)。

審核編輯 ：李倩