近日，《自然》雜志刊登的一篇文章顯示，由Arm公司領(lǐng)銜開發(fā)出了一種32位Arm微處理器，該處理器基于柔性基板（PlasticARM），采用金屬氧化物薄膜晶體管技術(shù)開發(fā)。

與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件不同，柔性電子器件構(gòu)建在紙張、塑料或金屬箔等基板上，并使用有機(jī)物或金屬氧化物或非晶硅等有源薄膜半導(dǎo)體材料，與晶體硅相比，它們具有許多優(yōu)勢(shì)，包括薄度、一致性和低制造成本。薄膜晶體管 (TFT) 可以在柔性基板上制造，其加工成本比在晶體硅晶片上制造的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 低得多。

與傳統(tǒng)硅技術(shù)相比，更具超薄、低成本等優(yōu)勢(shì)

微處理器是每個(gè)電子設(shè)備的核心，包括智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、路由器、服務(wù)器、汽車，以及物聯(lián)網(wǎng)，盡管傳統(tǒng)的硅技術(shù)已將至少一個(gè)微處理器嵌入到地球上的每一個(gè)“智能”設(shè)備中，但它面臨著使日常用品變得更智能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如瓶子、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等等。

成本是阻礙傳統(tǒng)硅技術(shù)在這些日常用品中可行的最重要因素，盡管硅制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)有助于顯著降低單位成本，但微處理器的單位成本仍然高得令人望而卻步，此外，硅芯片并不是天生的薄、柔韌和貼合。

另一方面，柔性電子產(chǎn)品卻可以提供這些理想性能。在過去的20年中，柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到提供成熟的低成本、薄型、柔性和適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)備，包括傳感器、存儲(chǔ)器、電池、發(fā)光二極管、能量收集器、近場(chǎng)通信/射頻識(shí)別和印刷電路比如天線，這些是構(gòu)建任何智能集成電子設(shè)備的基本電子元件。

然而缺少的部分是靈活的微處理器，尚不存在可行的柔性微處理器的主要原因是，需要在柔性基板上集成相對(duì)大量的TFT以執(zhí)行任何有意義的計(jì)算，這在新興的靈活TFT技術(shù)中是不可能實(shí)現(xiàn)的，在大規(guī)模集成之前，需要一定程度的技術(shù)成熟度。

一種中間方法是將硅基微處理器芯片集成到柔性基板上，也稱為混合集成，其中硅片被減薄并且來自硅片的管芯被集成到柔性襯底上。雖然薄硅芯片集成提供了一個(gè)短期的解決方案，但這種方法仍然依賴于傳統(tǒng)的高成本制造工藝。因此，它并不是一個(gè)可行的長期解決方案，無法在未來十年甚至更長時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出數(shù)十億個(gè)日常智能物體。

該團(tuán)隊(duì)的方法是使用靈活的電子制造技術(shù)開發(fā)微處理器，也稱為本機(jī)靈活的處理引擎，用來構(gòu)建此處描述的原生柔性微處理器的柔性電子技術(shù)由聚酰亞胺基板上的金屬氧化物TFT組成。金屬氧化物TFT成本低，也可以縮小到大規(guī)模集成所需的較小幾何形狀。

PlasticARM微處理器有助于未來實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)

該處理器是一個(gè)SoC，包含一個(gè)32位Arm Cortex-M CPU 和一個(gè)嵌套向量中斷控制器 (NVIC)，并通過互連結(jié)構(gòu) (AHB-LITE) 連接到內(nèi)存，外部總線接口提供通用輸入輸出 (GPIO) 接口以與測(cè)試框架進(jìn)行片外通信。ROM包含456字節(jié)的系統(tǒng)代碼和測(cè)試程序，并已實(shí)現(xiàn)為組合邏輯，128字節(jié)的RAM已實(shí)現(xiàn)為基于鎖存器的寄存器文件，主要用作堆棧。

圖：PlasticARM的系統(tǒng)架構(gòu)

圖1b顯示了PlasticARM中使用Cortex-M和Arm Cortex-M0+ 的比較。盡管PlasticARM中的Cortex-M處理器不是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但它實(shí)現(xiàn)了支持16位Thumb和32位Thumb指令集架構(gòu)子集的Armv6-M架構(gòu)，因此它與所有Cortex- M 類處理器，包括 Cortex-M0+，屬于同一架構(gòu)系列。

PlasticARM中的Cortex-M和Cortex-M0+之間的關(guān)鍵區(qū)別在于，我們將SoC中RAM的特定部分分配給CPU寄存器（約64字節(jié)），并將它們從CPU移到PlasticARM中Cortex-M中的RAM，而在Cortex-M0+中，寄存器保留在其CPU 中，通過從CPU中消除寄存器并使用現(xiàn)有的RAM作為寄存器空間，實(shí)現(xiàn)了CPU面積的大幅減少（約3倍）。

這款32位微處理器PlasticARM，采用0.8微米金屬氧化物TFT技術(shù)制造。由于它與Armv6-M架構(gòu)中的Arm Cortex-M類處理器兼容，它可以搭載現(xiàn)有的軟件/工具支持（例如編譯器），因此無需開發(fā)軟件工具鏈。它是迄今為止使用金屬氧化物TFT構(gòu)建的最復(fù)雜的柔性集成電路，包括超過18,000個(gè)門，至少比以前最好的集成電路高12倍。

PlasticARM將率先開發(fā)低成本、完全靈活的智能集成系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，包括在未來十年內(nèi)將超過一萬億個(gè)無生命物體集成到數(shù)字世界中，擁有一個(gè)超薄的、舒適的、低成本的、天生靈活的微處理器來處理日常用品，將會(huì)帶來各種各樣的研究和商業(yè)機(jī)會(huì)。