Herstellung von Chips aus Plastik für weniger als 1 Cent pro Stück

Stellen Sie sich vor, dass die Gegenstände um Sie herum voller Intelligenz sind. Ein Verband, eine Bananenschale, eine Flasche usw. sind alle intelligent. Derzeit kann eine solche Szene nur in Science-Fiction-Filmen vorkommen. Sie fragen sich vielleicht, warum dies angesichts der rasanten Entwicklung der Technologie heute noch nicht realisiert wurde. Dies liegt daran, dass der Mensch noch keine billigen Prozessoren hergestellt hat.

Die Zahl der IoT-Geräte weltweit wächst jedes Jahr um Milliarden. Es mag wie eine riesige Zahl erscheinen, aber in Wirklichkeit ist das Potenzial in diesem Bereich viel größer, und ziemlich teure Siliziumchips bremsen es. Die Lösung könnte darin bestehen, Plastikchips einzuführen, die um ein Vielfaches günstiger sind.

Einige Forschungseinrichtungen haben bereits verschiedene Versuche unternommen. Beispielsweise hat Arm im Jahr 2021 den neuen Kunststoffchip-Prototyp PlasticArm M0 auf den Markt gebracht, der Schaltkreise direkt auf Papier, Kunststoff oder Stoff drucken kann Kunststoff Der Prozessorkern ist ein Projekt, an dem Arm seit fast zehn Jahren forscht, aber trotzdem kann die Forschung von Arm die Standards nicht erfüllen.

Das Problem besteht laut Ingenieuren der University of Illinois in Urbana-Champaign und des britischen Chipherstellers PragmatIC Semiconductor darin, dass selbst die einfachsten Mikrocontroller nach Industriestandard zu komplex sind, um in Massenproduktion auf Kunststoff hergestellt zu werden.

Auf dem International Symposium on Computer Architecture später in diesem Monat wird ein Forschungsteam der University of Illinois in Urbana-Champaign einen einfachen, aber voll funktionsfähigen Kunststoffprozessor vorführen, der für weniger als 1 Cent (unter 100 Euro) gebaut werden kann. Penny). Das Team entwickelte sowohl 4-Bit- als auch 8-Bit-Prozessoren. Weitere Details dieser Studie wurden jedoch nicht veröffentlicht.

Teamleiter Rakesh Kumar sagte: „Etwa 81 % der 4-Bit-Prozessoren können funktionieren, was ausreicht, um die 1-Cent-Schwelle zu durchbrechen.“

Rakesh Kumar

Kumar sagte, dass flexible Elektronik seit Jahrzehnten vermarktet wird Der Prozessor des Teams besteht aus einem flexiblen Dünnschicht-Halbleiter, Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO), der auf Kunststoff gebaut werden kann und sich sogar innerhalb eines Radius von wenigen Millimetern biegen lässt. Doch während ein solider Herstellungsprozess eine Grundvoraussetzung ist, ist es das Design, das den Unterschied macht.

Bildquelle: https://technewsspace.com/scientists-have-developed-penny-plastic-flexicore-chips-they-promise-to-revolutionize-the-internet-of-things/

Warum nicht Silikon?

Sie fragen sich vielleicht, warum Siliziumprozessoren nicht supergünstig hergestellt werden können und eine flexible Rechenleistung bieten? Kumars Analyse kam zu dem Schluss, dass dies unmöglich war. Silizium ist im Vergleich zu Kunststoff teuer und unflexibel, und wenn man einen Kunststoffchip klein genug macht, kann er innerhalb des Biegebereichs weiterhin funktionieren. Es gibt zwei Gründe, warum Silizium versagt: Der eine ist, dass die Fläche der Schaltung zwar sehr klein gemacht werden kann, man aber dennoch relativ viel Platz am Rand des Chips lassen muss, um den Chip aus dem Wafer herauszuschneiden. Bei einem typischen Mikrocontroller ist am Rand des Chips mehr Platz als im Bereich, in dem sich die Schaltkreise befinden. Darüber hinaus benötigen Sie mehr Platz, um genügend I/O-Pads zu installieren, damit Daten und Strom in den Chip gelangen können. Dadurch werden leere Siliziumwafer verschwendet.

Anstatt eine bestehende Mikrocontroller-Architektur an Kunststoff anzupassen, hat Kumars Team von Grund auf ein Design namens Flexicore entwickelt. Denn mit der Anzahl der Logikelemente steigt die Ausschussrate. Mit diesem Wissen entwickelten sie ein alternatives Design, das darauf abzielte, die Anzahl der erforderlichen Türen zu minimieren. Sie verwenden 4-Bit- und 8-Bit-Logik anstelle von 16-Bit- oder 32-Bit-Logik. Als würde man den Speicher, in dem Anweisungen gespeichert werden, vom Speicher trennen, in dem Daten gespeichert werden. Dies geht jedoch mit einer Verringerung der Anzahl und Komplexität der Anweisungen einher, die der Prozessor ausführen kann.

Das Team hat das Design des Prozessors weiter vereinfacht und ihn so konzipiert, dass er Anweisungen in einem einzigen Taktzyklus ausführt und nicht in der mehrstufigen Pipeline heutiger CPUs. Anschließend implementierten sie die Logik für diese Anweisungen durch die Wiederverwendung von Teilen, wodurch die Anzahl der Gatter weiter reduziert wurde. „Insgesamt konnten wir das Design von FlexiCores vereinfachen, indem wir sie auf die Anforderungen flexibler Anwendungen zugeschnitten haben, die in der Regel rechentechnisch einfach sind“, sagte Kumars Student Nathaniel Bleier.

Durch das obige Design erreichte das Team einen 4-Bit-FlexiCore-Chip mit 5,6 mm^2, der nur aus 2104 Halbleiterbauelementen besteht (ungefähr die gleiche Anzahl von Transistoren im klassischen Intel 4004 im Jahr 1971), während das Arm-Team letztes Jahr Der entwickelte Soft-Mikroprozessor PlasticARM besteht aus ca. 56340 Bausteinen. „In Bezug auf die Gate-Anzahl ist FlexiCore eine Größenordnung kleiner als die kleinsten Silizium-Mikrocontroller“, sagte Nathaniel Bleier.

Ingenieure nutzen den Herstellungsprozess von PragmatIC, um 4-Bit-Mikrocontroller auf Kunststoff herzustellen.

FlexiCore verfügt außerdem über einen optimierten integrierten Speicher und Befehlssatz, um die Anzahl der Transistoren zu minimieren und die Komplexität zu reduzieren. Die Forscher haben die Logikkomponenten außerdem so konzipiert, dass sie eine minimale Anzahl von Transistoren verwenden können. Schließlich sind Prozessoren darauf ausgelegt, einen Befehl in einem Taktzyklus auszuführen.

Darüber hinaus hat das Team auch eine 8-Bit-Version von FlexiCore entwickelt, der Effekt war jedoch nicht gut.

„Das ist genau die Art von Designinnovation, die nötig ist, um wirklich allgegenwärtige Elektronik zu unterstützen“, sagte Scott White, CEO von PragmatIC Semiconductor.

Mithilfe der PragmatIC-Technologie hat das Team kunststoffbeschichtete Wafer mit 4-Bit- und 8-Bit-Prozessoren hergestellt und diese in mehreren Programmen bei unterschiedlichen Spannungen getestet und gnadenlos gebogen. Das Experiment mag einfach erscheinen, aber laut Kumar ist es bahnbrechend. Die meisten Prozessoren, die mit Nicht-Silizium-Technologien gebaut werden, weisen eine so geringe Ausbeute auf, dass Ergebnisse nur von einem oder höchstens einigen funktionierenden Chips gemeldet werden können. „Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass Daten von Nicht-Silizium-Technologien über mehrere Chips hinweg gemeldet werden können“, sagte Kumar.

PragmatIC hat an kostengünstigen Chips gearbeitet

Kumar stellt fest, dass die Chipindustrie sowohl Leistungs- als auch Leistungskennzahlen sowie ein gewisses Maß an Zuverlässigkeit anstrebt. Sie konzentrieren sich nicht auf Kosten, Konsistenz und Spandicke. Stattdessen liegt der Fokus auf dem Aufbau neuer Computerarchitekturen und der Erschließung neuer Anwendungen.

John A. Rogers, ein Pionier der flexiblen Elektronik an der Northwestern University in den Vereinigten Staaten, bezeichnete diese Arbeit als beeindruckend und freute sich auf die Weiterentwicklung dieser Forschung.

Natürlich ist dies nur das, was diese Forschung bisher geleistet hat, und es bleibt noch viel zu tun, bevor die FlexiCore-Lösung oder ähnliche Lösungen kommerziell verfügbar sind. Forscher haben jedoch mit einigem Erfolg versucht, ihre Lösungen für verschiedene Prozesse und Zielarbeitslasten zu optimieren. Es gibt auch Fragen dazu, wie sich Biegen auf die Leistung und Haltbarkeit von Kunststoffchips auswirkt.

Da jedoch solche billigen Kunststoffprozessoren und flexible Elektronik zum Mainstream werden, könnten wir bald den Beginn einer wirklich allgegenwärtigen Elektronik erleben. Ein solcher Chip kann auf der Verpackung fast aller Produkte oder auf einem medizinischen Pflaster angebracht werden und ist in seinen Einsatzmöglichkeiten unbegrenzt.

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonHerstellung von Chips aus Plastik für weniger als 1 Cent pro Stück. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!