塑料也能造芯片？全球首个柔性原生32位ARM架构微处理器问世

全球首个柔性原生32位微处理器终于问世！
钛媒体7月22日消息，科学期刊英国《Nature》（自然）杂志22日凌晨发表了一项电子行业最新突破性技术进展：由Arm公司领衔，联合全球柔性电子产品供应商PragmatIC等机构，结合金属氧化物薄膜晶体管（TFT）和柔性聚酰亚胺（一种耐高温的塑料），制成了全球首个柔性原生32位、基于ARM架构、高达18334个等效门的微处理器PlasticARM。该芯片有望推动低成本、全柔性智能半导体与集成电路产业的发展。
本论文通讯作者、Arm研究院首席研究工程师、英国PlasticArmPit项目负责人埃姆雷·厄泽尔（Emre Ozer）在接受钛媒体App专访时表示，该研究展示了全球第一个原生柔性的32位Arm微处理器，它将极大扩展基于Arm技术的潜在应用范围，有望应用于牛奶瓶外壳的电子标签、伤口护理和医疗保健的智能贴片等场景中，数以百万计的电子产品可从中受益。
科技部下属的《科技日报》则对该研究评价指：一直以来，微处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，结合它的实用性，这一新成果可极大推动智能设备、物联网等应用领域的发展。
塑料也能成为芯片材料，柔性不完全要放弃硅
近50年前，英特尔创造了世界上第一个可商业量产的微处理器——Intel 4004，这是一个仅4位的CPU（中央处理单元），具有2300个晶体管，使用10um工艺技术在硅基材料中制造，只能进行简单的运算计算。
自从取得这一突破性成就以来，随着技术的不断发展，芯片结构越来越复杂，目前最先进的硅64位微处理器达到5nm制程工艺，包括英伟达最强AI芯片A100、亚马逊AWS的Graviton2等芯片均拥有超300亿个晶体管。正如芯片专家詹姆斯·迈尔斯（James Myers）所说，“我们依照摩尔定律‘在硅中游泳’ ”。
尽管基于硅材料的微处理器是所有电子设备的核心，包括智能手机、电脑、路由器、服务器、汽车等产品都用硅芯片。但其也有诸多问题，比如易碎、不灵活的、不耐压力等，甚至硅芯片价格随着工艺难度的增加也变得越来越贵，限制了其在日常智能应用制造上的可行性，如食品包装和服装等。
如今全球缺芯加剧，因此，柔性材料用于电子学这一重要话题成为了新趋势。但生产柔性微处理器，还要有足够多晶体管进行有意义的计算，这一直都是个巨大难题。
柔性电子器件背后的流程非常简单：从柔性基底（如塑料或纸）开始，用它作为制造柔性半导体薄层的衬底，利用新介质和定制化的制造设备进行加工。从原子大小薄的材料到半导体聚合物，各种各样的芯片可以利用这一流程实现量产。
英国《自然》杂志发表的这篇研究成果是由Arm Ltd公司的科研团队领衔。基于新的合成材料，新的指令集架构，通过行业标准芯片实现工具的PragmatIC 0.8μm工艺，Arm团队由此设计出全球首个柔性原生32位、基于ARM架构的微处理器PlasticARM。

PlasticARM处理器结构图（来源：论文）
在合成材料部分，与在硅晶圆上制造硅基晶体管 (MOSFET) 不同的是，Arm公司团队使用了一种“非晶硅”的新型材料。基于厚度小于30 μm的聚柔性聚酰亚胺（一种耐高温的塑料）衬底上，利用PragmatIC的FlexIC 0.8μm工艺，与金属氧化物薄膜晶体管（TFT）结合构成柔性微处理器。所有关键部件——32位CPU处理器、RAM、ROM 和互连——均使用非晶硅制成，并在柔性聚合物上制造。
这并非是完全放弃硅基的晶体管，而是基于“硅”材料技术加上柔性特质。该研究的合作者、PragmatIC技术高级副总裁Catherine Ramsdale解释指，虽然材料是新的，但其与Arm团队的想法是，尽可能多地借鉴硅芯片的生产过程，与硅器件的一致性是关键，这样更容易批量生产芯片并降低成本。
据悉，非晶硅材料以有序原子阵列的形式存在，可用作太阳能电池板和液晶显示器等，价格上也很便宜，加工技术更简单，还可以缩小到规模化集成所需的较小尺寸。比如，PlasticARM的CPU部分面积大幅减少约3倍，时钟频率最高可达29kHz，功耗仅为21mW。
根据论文所述，PlasticARM的面积为59.2平方米，其中处理器面积占45%，存储器占33%，外设占22%。并且，“PlasticARM”处理器拥有更多晶体管，包含18,334个NAND2等效逻辑门，比此前金属氧化物薄膜晶体管构成的最佳柔性集成电路多12倍的逻辑门。这使PlasticARM成为迄今为止最复杂的柔性集成电路FlexIC技术。
研究人员表示，这一纤薄、低成本的柔性微处理器或可为日用品的智能化开拓道路。
除了制造部分，在指令集架构上PlasticARM也做了诸多创新。Arm公司与PragmatIC合作，联合研发出一种32位Arm Cortex-M0+处理器指令集版本，可以执行ARM Thumb指令的简化子集，甚至兼容Armv6-M架构中的Arm Cortex-M类处理器。并且，研究人员还针对小型和低功耗使用进行了优化，让其用作嵌入式处理器，实现最小能耗。
厄泽尔在接受钛媒体App专访时表示，这一过程中的设计技术复杂性，以及生产良率是他们团队面临的重要挑战，特别是较差的噪声容限、高功耗、以及大的工艺偏差，这些都是团队需要不断克服并予以解决的。
不过，PlasticArm处理器被集成在一个可从内部存储器运行的电路内，当前版本在装配之后不能更新。但研究团队认为，未来迭代能实现可编程的存储器。
厄泽尔指出，虽然硅的性能、密度和能效超过了柔性处理器，但PlasticArm的许多潜在用途对性能要求不高，主要像是需要感测、分析少量真实世界数据，并将其传送到显示器或更复杂的系统进行记录和散布信息的场景。
厄泽尔对钛媒体App表示，在硅芯片不是一个可行的选择时（主要考量成本的情况下），嵌入处理器技术是可能是未来发展趋势，其应用范围很广，可以实现“万物互联”，包括在未来十年内，将超过一万亿个无生命物体集成到数字世界中。而微处理器的技术创新，可以给整个行业带来各种研究和商业机会。
据了解，厄泽尔所在的Arm研发团队已计划下一步改进、升级迭代PlasticARM处理器产品，主要涉及降低功耗等。此外，研究人员还希望下一代处理器的等效逻辑门数提高到10万以上。
后摩尔时代重构全球芯片产业
近期多家外媒报道，英特尔计划出价20亿美元收购一家名为SiFive的公司，后者是美国一家基于开源RISC-V架构的芯片设计企业。此外，英特尔还在规划量子芯片、光芯片等新技术。
这些消息让人很意外，提出摩尔定律的英特尔，原本坚持x86架构，坚持硅制造工艺，如今也开始“叛变”。
近两年，随着算力重要性不断凸显，人工智能技术的不断发展，摩尔定律趋缓，IPU、NPU、ASIC、通用GPGPU等芯片概念应运而出，x86、ARM、RISC-V等指令集架构重新大洗牌，EDA技术进入2.0时代，而氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等第三代半导体材料重装上阵，有望重构硅半导体产业链。
天风证券研报指出，超越摩尔定律相关技术发展的重点，存在3条技术路线：
一是发展不依赖于特征尺寸不断微缩的特色工艺，以此扩展集成电路芯片功能；
二是将不同功能的芯片和元器件组装在一起封装，实现异构集成。其创新点在于推出各种先进封装技术，具有降低芯片设计难度、制造便捷快速和降低成本等优势；
三是在材料环节创新，发展第三代半导体。先进封装市场具有潜在颠覆性，预计2025可达430亿美元。而第三代半导体，材料工艺是芯片研发的主旋律。
中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明日前表示，后摩尔时代正重构全球芯片产业，同时也给予了中国追赶世界半导体产业的一个机会。
据吴汉明介绍，目前国内已经有公司通过“成熟工艺+异构集成”的方式，利用40nm的成熟工艺+异构集成，产品性能可与16nm媲美。“这也代表着后摩尔时代的技术延伸和发展方向。”
后摩尔时代，正是一个多赛道变道竞技的时代。工信部电子信息司司长乔跃山表示，2020年，中国集成电路产业规模达到8848亿元，“十三五”期间年均增速接近20%，为全球同期增速的4倍。未来在中国经济稳健增长的态势下，在5G、云计算、物联网、人工智能、智能网联汽车等新型应用的驱动下，中国集成电路市场需求仍将持续增长。
“尤其是物联网的发展，推动大数据、云计算和人工智能的发展。”国家信息化专家咨询委员会原常务副主任周宏仁指出，数字化、网络化、智能化技术的应用开始向各种产品渗透，因为全球“物”的数量巨大，“用户”数量将以百亿计。如此庞大的应用需求，势必影响核心芯片技术的下一轮革命性变革，所需的核心芯片技术的体系架构还在成形之中，是当前全球芯片和产业界竞争的焦点。
周宏仁认为，芯片产业要面向未来，不要揪着x86和ARM的体系架构不放，而要放眼“大智物云”的发展需求，做前瞻性的赶超部署。在关键技术领域实现引领性创新突破，符合中国的实际需求，
周宏仁强调，“我们要用有限的人才和社会资源，突出战略重点，力争引领下一代核心芯片技术的发展。”