近日，科學期刊英國《Nature》雜志發表了一項電子行業最新突破性技術進展：由Arm公司領銜，聯合全球柔性電子產品供應商PragmatIC等機構，結合金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）和柔性聚酰亞胺（一種耐高溫的塑料），制成了全球首個柔性原生32位、基于ARM架構、高達18334個等效門的微處理器PlasticARM。該芯片有望推動低成本、全柔性智能半導體與集成電路產業的發展。
一直以來，微處理器制造所用的材料基本上都是硅，此次新材料的加入使其多了“柔”的特性，結合它的實用性，這一新成果可極大推動智能設備、物聯網等應用領域的發展。
微處理器是每一個電子設備的核心，包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦、路由器、服務器、汽車，以及最近組成物聯網的智能物品。雖然傳統的芯片技術已經在地球上的每一個“智能”設備中嵌入了至少一個微處理器，但它面臨著讓日常物品更智能的關鍵挑戰，比如瓶子、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等等。成本是阻礙傳統硅技術在這些日常用品中可行的最重要因素。雖然芯片制造的規模經濟有助于大幅降低單位成本，但微處理器的單位成本仍然高得令人望而卻步。此外，硅芯片并不是天然的薄、柔韌性和一致性，而這些都是這些日常用品中嵌入電子產品的非常理想的特性。
另一方面，柔性電子產品確實提供了這些令人滿意的特性。在過去的20年里，柔性電子產品已經發展到提供成熟的低成本、薄的、柔性和兼容的設備，包括傳感器、存儲器、電池、發光二極管、能量采集器、近場通信/射頻識別和打印電路，如天線。這些是構建任何智能集成電子設備的基本電子元件。缺失的部分是柔性微處理器，目前還不存在可行的柔性微處理器的主要原因是，為了執行有意義的計算，需要將相對大量的TFT集成在柔性襯底上，這在以前的TFT技術中是不可能的。在這種技術中，在進行大規模集成之前需要一定程度的技術成熟度。
中間方法是將基于硅的微處理器芯片集成到柔性襯底上，也稱為混合集成，其中硅片變薄，芯片集成到柔性襯底上。雖然薄硅芯片集成提供了一個短期的解決方案，但該方法仍然依賴于傳統的高成本制造過程。因此，要在未來10年乃至更長的時間內生產數十億日常智能物品，這不是一個可行的長期解決方案。
塑料也能成為芯片材料
近50年前，英特爾創造了世界上第一個可商業量產的微處理器——Intel 4004，這是一個僅4位的CPU（中央處理單元），具有2300個晶體管，使用10um工藝技術在硅基材料中制造，只能進行簡單的運算計算。
自從取得這一突破性成就以來，隨著技術的不斷發展，芯片結構越來越復雜，目前最先進的硅64位微處理器現在擁有 300 億個晶體管（例如亞馬遜的AWS Graviton2微處理器，使用 7 納米工藝技術制造）。
微處理器現在深深地嵌入我們的文化中，以至于它已成為一項元發明——也就是說，它是一種允許實現其他發明的工具。
Nature發表的這種32 位 Arm（精簡指令集計算 （RISC） 架構）微處理器，在柔性基板（我們稱為 PlasticARM）上采用金屬氧化物薄膜晶體管技術開發。
與主流半導體行業不同，柔性電子產品在一個通過超薄外形、一致性、極低成本和大規模生產潛力與日常物品無縫集成的領域內運行。
與傳統半導體器件不同，柔性電子器件構建在紙張、塑料或金屬箔等基板上，并使用有機物或金屬氧化物或非晶硅等有源薄膜半導體材料。
與晶體硅相比，它們具有許多優勢，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體場效應晶體管 （MOSFET） 低得多。TFT 技術的目標不是取代硅。隨著這兩種技術的不斷發展，硅很可能會在性能、密度和功率效率方面保持優勢。
微處理器是每個電子設備的核心，包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦、路由器、服務器、汽車，以及最近構成物聯網的智能對象。盡管傳統的硅技術已將至少一個微處理器嵌入到地球上的每一個“智能”設備中，但它面臨著使日常物品變得更智能的關鍵挑戰，例如瓶子（牛奶、果汁、酒精或香水）、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等等。成本是阻礙傳統硅技術在這些日常用品中可行的最重要因素。盡管硅制造的規模經濟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，柔性電子產品確實提供了這些理想的特性。在過去的 20 年中，柔性電子產品已經發展到提供成熟的低成本、薄型、柔性和適應性強的設備，包括傳感器、存儲器、電池、發光二極管、能量收集器、近場通信/射頻識別和印刷電路比如天線。這些是構建任何智能集成電子設備的基本電子元件。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大量的 TFT 以執行任何有意義的計算。這在新興的柔性 TFT 技術以前是不可能的。
的中途的方法是基于硅的微處理器管芯集成到柔性基板-也稱為混合集成where晶片減薄的硅和金屬模具從晶片被集成到柔性基板。盡管薄硅芯片集成提供了一種短期解決方案，但該方法仍然依賴于傳統的高成本制造工藝。因此，它不是一個可行的長期解決方案，可以在未來十年及以后生產數十億件日常智能物品。
Arm團隊設計出全球首個柔性原生32位、基于ARM架構的微處理器PlasticARM
Nature發表的這篇研究成果是由Arm Ltd公司的科研團隊領銜。基于新的合成材料，新的指令集架構，通過行業標準芯片實現工具的PragmatIC 0.8μm工藝，Arm團隊由此設計出全球首個柔性原生32位、基于ARM架構的微處理器PlasticARM。
在合成材料部分，與在硅晶圓上制造硅基晶體管 （MOSFET） 不同的是，Arm公司團隊使用了一種“非晶硅”的新型材料。基于厚度小于30 μm的聚柔性聚酰亞胺（一種耐高溫的塑料）襯底上，利用PragmatIC的FlexIC 0.8μm工藝，與金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）結合構成柔性微處理器。所有關鍵部件——32位CPU處理器、RAM、ROM 和互連——均使用非晶硅制成，并在柔性聚合物上制造。
這并非是完全放棄硅基的晶體管，而是基于“硅”材料技術加上柔性特質。該研究的合作者、PragmatIC技術高級副總裁Catherine Ramsdale解釋指，雖然材料是新的，但其與Arm團隊的想法是，盡可能多地借鑒硅芯片的生產過程，與硅器件的一致性是關鍵，這樣更容易批量生產芯片并降低成本。
據悉，非晶硅材料以有序原子陣列的形式存在，可用作太陽能電池板和液晶顯示器等，價格上也很便宜，加工技術更簡單，還可以縮小到規模化集成所需的較小尺寸。比如，PlasticARM的CPU部分面積大幅減少約3倍，時鐘頻率最高可達29kHz，功耗僅為21mW。
根據論文所述，PlasticARM的面積為59.2平方米，其中處理器面積占45%，存儲器占33%，外設占22%。并且，“PlasticARM”處理器擁有更多晶體管，包含18,334個NAND2等效邏輯門，比此前金屬氧化物薄膜晶體管構成的最佳柔性集成電路多12倍的邏輯門。這使PlasticARM成為迄今為止最復雜的柔性集成電路FlexIC技術。
研究人員表示，這一纖薄、低成本的柔性微處理器或可為日用品的智能化開拓道路。
除了制造部分，在指令集架構上PlasticARM也做了諸多創新。Arm公司與PragmatIC合作，聯合研發出一種32位Arm Cortex-M0+處理器指令集版本，可以執行ARM Thumb指令的簡化子集，甚至兼容Armv6-M架構中的Arm Cortex-M類處理器。并且，研究人員還針對小型和低功耗使用進行了優化，讓其用作嵌入式處理器，實現最小能耗。
據了解，厄澤爾所在的Arm研發團隊已計劃下一步改進、升級迭代PlasticARM處理器產品，主要涉及降低功耗等。此外，研究人員還希望下一代處理器的等效邏輯門數提高到10萬以上。
摩爾定律不太可能適用于塑料芯片
該研究的合著者兼PragmatIC技術高級副總裁Catherine Ramsdale表示，與硅器件的一致性是關鍵，該公司與Arm一起設計和生產柔性芯片。雖然材料是新的，但其想法是盡可能多地借鑒硅芯片的生產過程。這樣，更容易批量生產芯片并降低成本。Ramsdale表示，這些芯片的成本可能是同類硅芯片的十分之一，因為塑料便宜且設備需求減少。她說，是的，這是一種“務實”的處事方式。
斯坦福大學（Stanford University）的電氣工程師埃里克·波普（Eric Pop）沒有參與這項研究，他說，這種芯片的復雜性及其包含的晶體管數量給他留下了深刻印象。
“這推動了技術的進步，”他說。但實用主義也有局限性。最清楚的是這個設備消耗了多少能量。該芯片消耗21毫瓦的能量，但其中只有1%用于執行計算；其余的都被浪費了，因為芯片處于閑置狀態。他解釋說，在戶外，用一個比郵票還小的太陽能電池就可以生產這種芯片——換句話說，不是很多——但隨著柔性芯片變得越來越復雜，這并不是提高效率的好起點。“你要做什么，把自己連到一個巨大的電池上嗎？”流行問道。
邁爾斯說，這些小型芯片的計劃是使用類似于智能手機支付的無線充電技術。但他承認芯片需要更節能——他相信在一定程度上是可以做到的。他說，目前的設計可以做得更小、更高效，也許足夠擴大到10萬個閘門。但這可能是極限。原因是它的設計相當簡單。晶體管有兩種形式，稱為“N”和“P”。它們是互補的。有電壓時打開，沒有電壓時關閉；另一種則相反。Arm芯片泄漏這么多能量的一個原因是它只有N型。使用Arm和PragmatIC選擇的材料，P型晶體管的設計難度更大。
縮放的一個選擇是轉向其他柔性材料，如碳納米管，因為這兩種材料都更容易制造。波普實驗室正在研究的另一種選擇是，使用在剛性襯底上制造的二維材料，然后轉移到柔性材料上，以減少晶體管的尺寸和功率需求。在這兩種情況下，代價可能都是制造成本的增加。
Subhasish Mitra在斯坦福大學計算機科學家領導的第一個示范2013年碳納米管電腦，說，雖然手臂的設計似乎不展示任何理論上的突破，研究人員似乎產生了一種相對簡單的設備制造和用于實際應用。“時間會告訴我們應用程序開發者將如何利用這一點，”Mitra說。“我認為這是令人興奮的部分。”
哪種柔性材料最終有意義將取決于芯片需要如何使用，波普解釋說。例如，硅并不總是注定要成為我們設備的核心。有一段時間，科學家們認為這可能是鍺——一種比硅更優越的半導體元素。但它并不叫“鍺谷”。硅更容易獲得，在某些方面也更容易設計。廉價的柔性芯片還處于早期階段。我們需要紙質電子產品的可回收性嗎？碳納米管的潛在功率和規模？或許我們只是需要塑料的實用性。
也許摩爾定律不太可能適用于塑料芯片。拉姆斯代爾說：“我們并不是在尋找硅能出色發揮作用的市場。”該公司主要著眼于“硅被有效地過度設計”的用途。在硅領域，對更強大設備的需求推動了規模和功率的指數級增長。裝在牛奶盒里的電腦芯片也是這樣嗎？也許回到上世紀80年代就足夠了。
我們設想，PlasticARM將率先開發低成本、完全靈活的智能集成系統，使“萬物互聯”成為可能，包括在未來10年將超過一萬億無生命物體集成到數字世界中。為日常用品提供超薄、兼容、低成本、天生靈活的微處理器將帶來創新，從而帶來各種研究和商業機會。
