Arm塑料芯片登Nature 具有低成本大批量制造潛力

Arm 首款基于柔性塑料的 32 位微處理器 PlasticARM 刊登在了頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

PlasticARM 由 56340 個(gè) NMOS(N 型金屬-氧化物-半導(dǎo)體)晶體管和電阻器組成，面積為 59.2mm2，時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 29KHz，功耗僅為 21mW。PlasticARM 采用了薄膜晶體管(TFT)，可以彎曲到曲率半徑為 3mm 的程度。

這款微處理器由 Arm 投資的英國(guó)柔性 IC 制造廠(chǎng)商 PragmatIC 制造，采用 FlexLogIC 200mm 晶圓工藝，芯片制程為 0.8μm，具有低成本大批量制造潛力。

01. 長(zhǎng)跑 6 年，可用于物聯(lián)網(wǎng)等低功耗場(chǎng)景

在過(guò)去的 20 年中，存儲(chǔ)器、傳感器、電池、發(fā)光二極管等都出現(xiàn)了低成本的柔性解決方案。但是微處理器方面，人們卻只能將硅基微處理器管芯集成到柔性基板上，從而得到柔性化的微處理器。而這一方案，需要采用傳統(tǒng)的芯片制造工藝，成本過(guò)高，遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到日常用品智能化的要求。

根據(jù)論文，PlasticARM 并非要取代傳統(tǒng)的硅基芯片，但它可以真正地讓飲料瓶、食品包裝、服裝、繃帶、可穿戴設(shè)備等日常用品實(shí)現(xiàn)智能化。

基于此，Arm 早在 2015 年就透露了基于 Cortex M0 的塑料片上系統(tǒng)(SoC)研發(fā)計(jì)劃。在 11 月 24 日的 Arm TechCon 上，時(shí)任 Arm CTO 的 Mike Muller 展示了塑料芯片樣品，他還暗示這種設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)等低功耗應(yīng)用場(chǎng)景中。

在活動(dòng)中，Mike Muller 與 PragmatIC 的首席執(zhí)行官 Scott White 進(jìn)行了電話(huà)交流。但當(dāng)時(shí) PragmatIC 還在忙于開(kāi)發(fā)一個(gè)模擬組件庫(kù)，其時(shí)間表并不明確。

時(shí)間流轉(zhuǎn)到今日，長(zhǎng)跑 6 年的柔性塑料微處理器終于正式發(fā)表，這是否又意味著全智能化時(shí)代的步伐正在臨近呢?

02. 采用 0.8μm 工藝，邏輯門(mén)超 18000 個(gè)

PlasticARM 采用了 PragmatIC 的 0.8μm 工藝，在其位于英國(guó)塞奇菲爾德的“fab-in-a-box”晶圓廠(chǎng)中制造。

研究人員稱(chēng)，PlasticARM 擁有超過(guò) 18000 個(gè)邏輯門(mén)，比之前的柔性集成電路高 12 倍，是迄今為止最復(fù)雜的柔性集成電路。而在 PlasticARM 的基礎(chǔ)上，人們可以構(gòu)建低成本、可彎曲的智能集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”。

PlasticARM 也不完美。據(jù)悉，Arm 正在開(kāi)發(fā)低功耗單元庫(kù)，可支持多達(dá) 10 萬(wàn)門(mén)的塑料設(shè)計(jì)，以解決柔性塑料的散熱問(wèn)題。但是 PragmatIC 的 NMOS 技術(shù)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn) 10 萬(wàn)門(mén)的遷移，需要采用 CMOS 技術(shù)，而這可能還要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間。

盡管如此，研究人員預(yù)計(jì)，未來(lái)十年，PlasticARM 將把超過(guò) 1 萬(wàn)億個(gè)產(chǎn)品集成到數(shù)字世界中，為生活、科研、商業(yè)等多個(gè)維度帶來(lái)改革契機(jī)。

03. 采用薄膜晶體管，成本較低、可彎曲

相比當(dāng)今常用的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，Arm 采用了薄膜晶體管(TFT)，其在厚度、整合性和制造成本上都有著顯著優(yōu)勢(shì)。

在制造工藝上，研究人員選擇了柔性電子制造技術(shù)，該技術(shù)也被稱(chēng)為天然柔性加工引擎(natively flexible processing engine)。采用了這一技術(shù)制造的金屬氧化物薄膜晶體管成本較低，尺寸也符合大規(guī)模集成的要求。

值得一提的是，PlasticARM 相比最近發(fā)布的柔性機(jī)器學(xué)習(xí)硬件，通用程度更高，還支持豐富的指令集，可以用于編寫(xiě)機(jī)器學(xué)習(xí)等各類(lèi)應(yīng)用程序。

PlasticARM 主要分為 3 個(gè)層次，分別是 32 位 CPU;包含 CPU 和 CPU 外設(shè)的 32 位處理器;以及包含處理器、存儲(chǔ)器和總線(xiàn)接口的片上系統(tǒng)(SoC)，SoC 也就是 PlasticARM。

其 CPU 為支持 Armv6-M 架構(gòu)的 Arm Cortex-M CPU。和 Cortex-M0 + 有所不同的是，為了節(jié)省 CPU 面積，Cortex-M CPU 的寄存器被安置到了隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM 中。而且兩個(gè) CPU 彼此二進(jìn)制兼容，還與同一架構(gòu)系列下的其他 CPU 兼容。

由于該 SoC 與 Arm Cortex-M 類(lèi)處理器兼容，因此它可以搭載現(xiàn)有的軟件/工具，無(wú)需建設(shè)新的軟件工具生態(tài)。

處理器由 CPU 和與 CPU 緊密耦合的內(nèi)嵌向量中斷控制器(NVIC)組成，用于處理來(lái)自外部設(shè)備的中斷。

除了 32 位處理器，SoC 還有存儲(chǔ)器(ROM/RAM)、AHB-LITE 互連結(jié)構(gòu)和邏輯接口、總線(xiàn)接口等部分。

04. 結(jié)語(yǔ)：PlasticARM 或成“萬(wàn)物智聯(lián)”基礎(chǔ)

隨著 PlasticARM 的問(wèn)世，可穿戴設(shè)備、電子皮膚等或?qū)⒂瓉?lái)新的發(fā)育機(jī)會(huì)。雖然其制程較硅基芯片較低，但是 PlasticARM 低成本、低功耗、可使用現(xiàn)有軟件工具的特性，或許能夠成為很多行業(yè)突破的良機(jī)。

雖然 PlasticARM 還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但展望未來(lái)“萬(wàn)物智聯(lián)”時(shí)代，今天將會(huì)是一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： Arm Nature 潛力 低成本