EETOP消息，近日 Arm 研究團(tuán)隊(duì)表示，結(jié)合金屬氧化物薄膜晶體管(TFT)和柔性聚酰亞胺，制成了全軟性32 位可彎曲的柔性微處理器，將推動(dòng)低成本、全軟性智能整合系統(tǒng)發(fā)展。該成果已發(fā)布在Nature。

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這款新產(chǎn)品被命名為PlasticArm，從外表看該處理器材質(zhì)類似塑料，因此將其命名為PlasticArm，Arm表示這個(gè)基于32位Cortex-M0的芯片僅能接收128字節(jié)的RAM以及456字節(jié)的PRAM。

柔性處理器的優(yōu)點(diǎn)

目前從筆電到汽車(chē)，再到各種智能型設(shè)備，微處理器都是所有電子設(shè)備的核心組件。近50 年前，處理器大廠英特爾發(fā)明世界第一個(gè)商用化微處理器，當(dāng)時(shí)4 位處理器內(nèi)建2,300 個(gè)晶體管，僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單算術(shù)運(yùn)算。目前最先進(jìn)64 位元微處理器，內(nèi)建多達(dá)300 億個(gè)晶體管，使用7 納米制程生產(chǎn)?，F(xiàn)階段微處理器已深深進(jìn)入人類生活。

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。TFT 技術(shù)的目標(biāo)不是取代硅。隨著這兩種技術(shù)的不斷發(fā)展，硅很可能會(huì)在性能、密度和功率效率方面保持優(yōu)勢(shì)。然而，

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(chē)，以及構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備。盡管傳統(tǒng)的硅技術(shù)已將微處理器嵌入到了地球上的每一個(gè)智能設(shè)備中，但它面臨著使日常物品變得更智能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，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(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，硅芯片并不具備天生的薄、柔韌和貼合。

另一方面，柔性電子產(chǎn)品確實(shí)提供了這些理想的特性。在過(guò)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。缺少的部分是靈活的微處理器。

柔性處理器的難點(diǎn)

之前尚未做出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)行各種計(jì)算。這在新興的柔性的 TFT 材料技術(shù)出現(xiàn)之前是不可能的。

早期的柔性處理器作品是基于顯影8位CPU，使用低溫多晶硅TFT的技術(shù)，其具有高的制造成本和差的橫向伸縮性。最近，基于二維材料的晶體管已被用于開(kāi)發(fā)處理器，例如使用二硫化鉬 (MoS 2 ) 晶體管的 1 位 CPU和由互補(bǔ)碳納米管晶體管構(gòu)建的 16 位 RISC-V CPU。然而，這兩項(xiàng)工作都是在傳統(tǒng)的硅晶片上而不是在柔性基板上進(jìn)行演示的。

構(gòu)建基于金屬氧化物TFT的處理元件的首次嘗試是一個(gè)8位算術(shù)邏輯單元，它是CPU的一部分，與一個(gè)在聚酰亞胺上制造的可編程的ROM相配合。最近，Ozer等人提出了金屬氧化物TFT中原有的靈活的專用機(jī)器學(xué)習(xí)硬件。盡管機(jī)器學(xué)習(xí)硬件18有最復(fù)雜的柔性集成電路（FlexIC），用金屬氧化物TFT制造，大約有1400個(gè)門(mén)，但FlexIC不是一個(gè)微處理器。此次Arm所推出的可編程處理器方法比機(jī)器學(xué)習(xí)硬件更通用，它支持豐富的指令集，可用于編程各種應(yīng)用，從控制代碼到數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，包括機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

柔性微處理器有三個(gè)主要組成部分--（1）32位CPU，（2）包含CPU和CPU外設(shè)的32位處理器，以及（3）包含處理器、存儲(chǔ)器和總線接口的片上系統(tǒng)（SoC）--所有這些都是用金屬氧化物TFT在柔性基底上制造的。

這款柔性32位處理器來(lái)自于支持Armv6-M架構(gòu)的Arm Cortex-M0+處理器19（豐富的80多條指令）和現(xiàn)有的軟件開(kāi)發(fā)工具鏈（例如，編譯器、調(diào)試器、鏈接器、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等）。PlasticARM能夠從其內(nèi)部存儲(chǔ)器運(yùn)行程序。PlasticARM包含18,334個(gè)NAND2等效門(mén)，這使得它成為有史以來(lái)在柔性基底上用金屬氧化物TFT制造的最復(fù)雜的FlexIC（至少比以前的集成電路復(fù)雜12倍）。

PlasticARM系統(tǒng)架構(gòu)

Arm 研究團(tuán)隊(duì)此次結(jié)合金屬氧化物薄膜晶體管和柔性聚酰亞胺，制成名為「PlasticARM」完全軟性32位微處理器，可整合至內(nèi)建存儲(chǔ)器的電路架構(gòu)運(yùn)作。

PlasticARM的芯片架構(gòu)如圖1a所示。它是一種 SoC，包括源自 32 位 Arm Cortex-M0+ 處理器系列的 32 位處理器、存儲(chǔ)器、系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)和接口塊以及外部總線接口。

圖1a , SoC 架構(gòu)，顯示了內(nèi)部結(jié)構(gòu)、處理器和系統(tǒng)外設(shè)。該處理器包含一個(gè) 32 位 Arm Cortex-M CPU 和一個(gè)嵌套向量中斷控制器 (NVIC)，并通過(guò)互連結(jié)構(gòu) (AHB-LITE) 連接到其內(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。

圖1b，PlasticARM中使用的CPU與Arm Cortex-M0+ CPU的特點(diǎn)比較。這兩個(gè)CPU都完全支持Armv6-M架構(gòu)，具有32位地址和數(shù)據(jù)能力，以及來(lái)自整個(gè)16位Thumb和32位Thumb指令集架構(gòu)的子集的總共86條指令。CPU的微架構(gòu)有一個(gè)兩級(jí)流水線。寄存器在Cortex-M0+的CPU中，但在PlasticARM中，寄存器被移到SoC中基于閂鎖的RAM中，以節(jié)省Cortex-M的CPU面積。最后，這兩個(gè)CPU相互之間以及與同一架構(gòu)家族中的其他CPU是二進(jìn)制兼容的。 

圖1c，PlasticARM的芯片布局，在白色方框中表示關(guān)鍵塊，如Cortex-M處理器、ROM和RAM。

圖1d, PlasticARM 的芯片顯微照片，顯示了芯片和核心區(qū)域的尺寸。

該處理器完全支持 Armv6-M 指令集架構(gòu)，這意味著為 Cortex-M0+ 處理器生成的代碼也將在派生自它的處理器上運(yùn)行。處理器由 CPU 和與 CPU 緊密耦合的嵌套向量中斷控制器 (NVIC) 組成，用于處理來(lái)自外部設(shè)備的中斷。

SoC 的其余部分由存儲(chǔ)器（ROM/RAM）、AHB-LITE 互連結(jié)構(gòu)（高級(jí)高性能總線 (AHB) 規(guī)范的一個(gè)子集）和將存儲(chǔ)器連接到處理器的接口邏輯以及最后一個(gè)外部用于控制兩個(gè)通用輸入輸出 (GPIO) 引腳以進(jìn)行片外通信的總線接口。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1b顯示了PlasticARM中使用的Cortex-M和Arm Cortex-M0+的比較。雖然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)，因此它與同一架構(gòu)系列的所有Cortex-M類處理器（包括Cortex-M0+）二進(jìn)制兼容。PlasticARM中的Cortex-M與Cortex-M0+之間的關(guān)鍵區(qū)別是，我們?cè)赟oC中為CPU寄存器分配了特定的RAM部分（約64字節(jié)），并將它們從CPU移到PlasticARM中Cortex-M的RAM中，而在Cortex-M0+中，寄存器仍在其CPU內(nèi)。通過(guò)消除CPU中的寄存器并使用現(xiàn)有的RAM作為寄存器空間，CPU面積大幅減少（約3倍），代價(jià)是寄存器訪問(wèn)速度變慢。

后續(xù)計(jì)劃

總的來(lái)說(shuō)，PlasticARM性能還不是很好。它的最大時(shí)鐘速度僅位29kHz，在這個(gè)速度下消耗大約20毫瓦。這聽(tīng)起來(lái)可能很小，但在標(biāo)準(zhǔn)硅上實(shí)現(xiàn)的M0+只需要10微瓦多一點(diǎn)就能達(dá)到兆赫。從積極的一面看，它有超過(guò)18000個(gè)單獨(dú)的門(mén)，這比之前描述的柔性處理器高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。它還成功地執(zhí)行了ROM中的所有軟件。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在計(jì)劃其下一步，這主要涉及降低功耗。鑒于該處理器的性能與標(biāo)準(zhǔn)硅之間的差距，這種減少是適當(dāng)?shù)摹Ｑ芯咳藛T還希望將門(mén)數(shù)提高到10萬(wàn)以上，盡管他們認(rèn)為這種方法最終會(huì)在低于一百萬(wàn)門(mén)的地方達(dá)到最大值。