プラスチック上でチップを 1 個あたり 1 セント未満で製造

あなたの周りの物体は知性に満ちていると想像してください。包帯、バナナの皮、瓶などはすべて知性を持っています。現時点では、このようなシーンは SF 映画でしか登場しません。今日のテクノロジーの急速な発展にもかかわらず、なぜこれらすべてが実現されないのか疑問に思われるかもしれません。それは、人類がまだ安価なプロセッサを製造していないからです。

世界中の IoT デバイスの数は毎年数十億台ずつ増加しています。膨大な数のように思えるかもしれませんが、実際にはこの分野の可能性ははるかに大きく、かなり高価なシリコンチップがそれを妨げています。解決策は、何倍も安いプラスチックチップを導入することかもしれない。

一部の研究機関はこれまでにさまざまな試みを行ってきました。たとえば、Armは2021年に、紙、プラスチック、または布地に直接回路を印刷できる新しいプラスチックチップのプロトタイプを発売しました。このチップは基板としてシリコンを使用しません。プラスチック プロセッサコアはArmが10年近く研究してきたプロジェクトだが、それでもArmの研究では基準を満たしていない。

イリノイ大学アーバナシャンペーン校と英国のチップメーカーPragmatIC Semiconductorのエンジニアらによると、問題は、最も単純な業界標準のマイクロコントローラーでさえ複雑すぎてプラスチックで大量生産できないことだという。

今月後半のコンピューター アーキテクチャに関する国際シンポジウムで、イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の研究チームは、シンプルだが完全に機能するプラスチック プロセッサーをデモンストレーションする予定です。この種のプロセッサーは 1 セント未満 (1 セント未満) で構築できます。ペニー）。チームは 4 ビットと 8 ビットの両方のプロセッサを設計しました。ただし、この研究のさらなる詳細は公開されていません。

チームリーダーのラケシュ・クマール氏は、「4ビット・プロセッサの約81%が動作可能であり、これは1セントの閾値を突破するのに十分である

ラケシュ・クマール

」と述べた。チームのプロセッサは柔軟な薄膜半導体であるインジウムガリウム亜鉛酸化物（IGZO）を使って作られており、プラスチック上に構築でき、半径数ミリメートル以内でも曲がり続けて動作し続ける。しかし、確実な製造プロセスは必須条件ですが、違いを生むのはデザインです。

画像出典: https://technewsspace.com/scientists-have-development-penny-last-flexicore-chips-they-promise-to-revolutionize-the-internet-of-things/

なぜシリコンではないのでしょうか？

なぜシリコン プロセッサを非常に安価に製造し、柔軟なコンピューティング パフォーマンスを実現できないのかと疑問に思われるかもしれません。クマール氏の分析では、これは不可能であると結論づけられました。シリコンはプラスチックに比べて高価で柔軟性がありませんが、プラスチックチップを十分に小さくすれば、曲げの範囲内で動作し続けることができます。シリコンが失敗する理由は 2 つあります。1 つは、回路の面積は非常に小さくすることができますが、ウェハーからチップを切り出すためにチップの端に比較的大きなスペースを残す必要があることです。一般的なマイクロコントローラーの場合、チップの端には回路が含まれる領域よりも多くのスペースがあります。さらに、データと電力をチップに入力できるように、十分な I/O パッドを取り付けるためのより多くのスペースも必要です。その結果、ブランクのシリコンウェーハが無駄になってしまいます。

既存のマイクロコントローラー アーキテクチャをプラスチックに適応させるのではなく、Kumar のチームは Flexicore と呼ばれる設計を一から作成しました。論理要素の数に応じてスクラップ率が増加するため。このことを知って、彼らは必要なドアの数を最小限に抑えることを目的とした代替設計を考案しました。 16 ビットまたは 32 ビット ロジックの代わりに、4 ビットおよび 8 ビット ロジックを使用します。命令が保存されるメモリとデータが保存されるメモリを分離するようなものです。ただし、これにはプロセッサが実行できる命令の数と複雑さが減少することが伴います。

チームはプロセッサの設計をさらに簡素化し、今日の CPU のマルチステップ パイプラインではなく、単一クロック サイクルで命令を実行するように設計しました。次に、部品を再利用することでこれらの命令のロジックを実装し、ゲート数をさらに削減しました。 「全体として、計算的に単純になりがちな柔軟なアプリケーションのニーズに合わせて FlexiCore を調整することで、FlexiCore の設計を簡素化することができました」と Kumar 氏の学生である Nathaniel Bleier 氏は述べています。

上記の設計を通じて、チームはわずか 2104 個の半導体デバイス (1971 年の古典的な Intel 4004 のトランジスタ数とほぼ同じ数) で構成される 5.6 mm^2 の 4 ビット FlexiCore チップを実現しました。開発されたソフト マイクロプロセッサ PlasticARM は、約 56,340 個のデバイスで構成されています。 「ゲート数の点では、FlexiCore は最小のシリコン マイクロコントローラーよりも 1 桁少ないです」と Nathaniel Bleier 氏は述べています。

エンジニアは、PragmatIC の製造プロセスを使用して、プラスチック上に 4 ビット マイクロコントローラーを製造します。

FlexiCore は、トランジスタ数を最小限に抑え、複雑さを軽減するために最適化されたオンボード メモリと命令セットも備えています。研究者らはまた、最小限の数のトランジスタを使用できるようにロジック コンポーネントを設計しました。結局のところ、プロセッサは 1 クロック サイクルで 1 つの命令を実行するように設計されています。

さらに、チームは FlexiCore の 8 ビット バージョンも開発しましたが、効果は良好ではありませんでした。

「これはまさに、真のユビキタスエレクトロニクスをサポートするために必要な設計革新です」と、PragmatIC Semiconductor の CEO である Scott White 氏は述べています。

PragmatIC テクノロジーを使用して、チームは 4 ビットおよび 8 ビットプロセッサを備えたプラスチックでコーティングされたウエハーを製造し、異なる電圧で複数のプログラムでテストし、容赦なく曲げました。この実験は基本的なものに見えるかもしれないが、クマール氏によれば、これは画期的なものだという。非シリコン技術を使用して構築されたプロセッサのほとんどは歩留まりが非常に悪いため、1 つまたはせいぜい数個の動作するチップからのみ結果が報告されます。 「私たちが知る限り、複数のチップにわたる非シリコン技術のデータが報告されるのはこれが初めてです」とクマール氏は述べた。

PragmatIC は低コストのチップの開発に取り組んでいます

Kumar 氏は、チップ業界はある程度の信頼性とともに、電力とパフォーマンスの両方の指標を目指すことを目指していると観察しています。彼らはコスト、一貫性、チップの薄さに焦点を当てていません。代わりに、新しいコンピュータ アーキテクチャを構築し、新しいアプリケーションをターゲットにすることに重点が置かれています。

米国ノースウェスタン大学のフレキシブルエレクトロニクスの先駆者であるジョン A. ロジャースは、この研究を素晴らしいと呼び、この研究のその後の発展を期待しています。

もちろん、これはこの研究がこれまでに行ったことにすぎず、FlexiCore ソリューションまたは同様のソリューションが市販されるまでには、やるべきことがまだたくさんあります。ただし、研究者はさまざまなプロセスや対象ワークロードに合わせてソリューションを最適化することを試み、ある程度の成功を収めています。曲げがプラスチックチップの性能や耐久性にどのような影響を与えるかについても疑問があります。

しかし、このような安価なプラスチック加工機とフレキシブルエレクトロニクスが主流になりつつある今、私たちはすぐに真のユビキタスエレクトロニクスの夜明けを目にするかもしれません。この種のチップは、ほぼすべての製品のパッケージや医療用パッチに配置することができ、その応用分野はもはや制限されません。

以上がプラスチック上でチップを 1 個あたり 1 セント未満で製造の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。