來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(UIUC)的 Grainger 工程學院的研究人員與柔性電子制造商?PragmatIC Semiconductor合作，獲得了首個商業上可行的柔性塑料微處理器。這些 FlexiCore 芯片只需不到一分錢，就能制造出低成本的智能消費產品。此外，靈活的技術使芯片能夠滿足這些應用中的尺寸限制。

“你可以將處理器放在繃帶上以檢測傷口是否正在愈合，或者將它們添加到消費品包裝中以跟蹤供應鏈的進展，”UIUC 協調科學實驗室的電氣和計算機工程教授兼研究員 Rakesh Kumar 說，在一份聲明中。“挑戰在于創造一種處理器，它既可以廉價生產，又足夠靈活，即使在我們的身體、包裝或啤酒瓶的不平整表面上也能貼身貼合。”

研究人員不使用硅，而是決定使用塑料作為其芯片的基礎。FlexiCore 建立在由銦鎵鋅氧化物 (IGZO) 制成的薄膜晶體管 (TFT) 上，這種半導體材料即使在彎曲時也能工作，并且與塑料兼容。

FlexiCore4 芯片采用 200 毫米晶圓。。（來源：伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校）

聚酰亞胺已被證明是一種有彈性的柔性基材，該項目的電氣和計算機工程專業研究生 Nathaniel Bleier 說。“TFT是無機的——由銦、鎵、鋅和氧制成——沉積在包含四個金屬層的聚酰亞胺基板上。該工藝是一種光刻工藝，它使用一系列沉積、圖案化和蝕刻步驟。”

UIUC 團隊測試了 4 位和 8 位處理器，發現 4 位處理器產生了 81% 的良率，這足以讓芯片以不到一美分的價格制造出來。4 位處理器有 2,104 個器件（晶體管和電阻器），比去年宣布的名為 PlasticArm的塑料 Arm 處理器上的 56,000 多個器件要少得多。

研究人員在 3 V 和 4.5 V 下以 12.5 kHz 的頻率測試了內核。內核平均消耗 3.9/4.9 mW。FlexiCore4 和 FlexiCore8 內核的尺寸分別為 5.56 mm 2和 6.05 mm 2。兩者都在晶圓上進行了測試并且未封裝。

Bleier 說，以 12.5 kHz 的頻率測試內核是測試設備的一個限制。

“我們相信我們可以更快地運行內核，并且提高時鐘速度對功耗的影響最小，而功耗絕大多數是靜態功耗，”他說。

為什么選擇 4 位和 8 位處理器？“我們這項工作的目標是表明，柔性電子產品能夠實現低成本微處理器，這反過來又允許計算滲透到目前由于保形性、薄度和成本要求而尚未出現計算擴散的領域. 這些領域包括快速消費品的包裝；創可貼等低端保健品；一次性食品傳感器；以及用于森林、農業和環境監測的傳感器。

“能夠滿足這些領域要求的低成本、靈活的處理器需要一個小面積、高產量的微處理器，”Bleier 補充道。“此外，對域應用程序的分析 [見下表] 表明，這些‘靈活應用程序’中的大多數都需要不超過 8 位的數據精度，事實上，4 位對許多人來說甚至是多余的。”

FlexiCore 柔性塑料微處理器的示例應用及其性能要求。。（來源：伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校）

但也有很大的挑戰。Bleier 說，設計一個既足夠小又足夠強大的處理器“對真正的計算工作有用一直是開發低成本、靈活處理器的最大挑戰”。

他補充說，處理器的單位成本與處理器的尺寸成超線性比例，材料成本與處理器尺寸成正比。“因此，更大的處理器每個內置處理器的成本更高，并且需要構建更多的處理器來滿足生產目標。這意味著要獲得超低價格，我們需要一個非常小的處理器，但處理器仍然需要能夠支持需要計算的靈活應用程序。”

其他原型

去年發布了一些具有競爭力的柔性塑料微處理器，包括 Arm 的 PlasticArm 和imec 的 8 位 6052 塑料處理器。但是原型之間有幾個關鍵的區別。（有關其他比較，請參閱 UIUC/PragmatIC Semiconductor報告。）

Bleier 說 UIUC 的項目在幾個基本方面與 Arm 的工作不同：“首先，我們的項目真正是一個能夠執行其 ISA 中編寫的任意程序的微處理器。我們在硅后測試和驗證中利用了這一事實，我們使用超過 100,000 條指令對每個芯片進行嚴格測試，這些指令來自對每條芯片路徑進行定向和隨機測試。因此，當我們說核心有效時，我們相信它確實有效。

“另一方面，Arm 原型執行單個程序；因此，測試包括檢查它是否正確執行了該程序，”他補充道。

Bleier 說，就 imec 原型而言，它更像是 FlexiCore，“因為他們設計了一個可以執行任意程序的處理器”。

然而，imec 和 Arm 項目都采用了為硅設計的現有架構，UIUC 的研究人員“認為這是一個錯誤”。

Bleier 解釋說：“最初的 MOS 6502 建立在 8 微米技術 [工藝] 節點上——即比這些靈活工作中使用的大 10 倍——但仍可以在低兆赫頻率范圍內工作。此外，MOS 6502 可以尋址 64 KB 的內存——ARMv6m 可以尋址 4 GB 的內存。盡管如此，Arm 的 SoC 中僅包含大約 128 B 的內存。在柔性電子產品中，目前不需要能夠處理大量（甚至微不足道）的內存，因為此時只能構建少量的柔性內存。”

研究人員關注的另一個問題是支持設計的微架構。他們質疑他們的多周期設計方法，特別是對于電池或采集器供電的系統。

“雖然所有商業 ARMv6m 內核都是流水線的，但 PlasticArm 與 6502 一樣，使用多周期設計來最小化面積——多周期設計允許結構的時間復用，”Bleier 說。“這意味著每條指令需要多個周期才能執行。這是一種可接受的技術折衷，例如以動態功率為主的傳統硅技術。但這種靈活的技術以靜態功耗為主導，這意味著增加每條指令的周期數相當于將執行一條指令所需的能量增加一倍、三倍、四倍等。”

UIUC 團隊仍在努力實現三個關鍵目標：Bleier 說，研究人員希望啟用完整的系統，從而為靈活的應用程序提供機密和經過身份驗證的通信。他們還希望開發電路和微架構功耗降低解決方案，并在柔性電子產品的背景下探索間歇性計算（即在出現電源故障的情況下進行計算）。

審核編輯 黃昊宇