개당 1센트 미만의 비용으로 플라스틱에 칩 만들기

주변의 물체가 지능으로 가득 차 있다고 상상해 보세요. 붕대, 바나나 껍질, 병 등이 모두 지능적입니다. 현재 이런 장면은 공상과학 영화에만 등장할 수 있다. 오늘날 급속한 기술 발전에도 불구하고 왜 이 모든 것이 실현되지 않았는지 궁금할 것입니다. 이는 인간이 아직 값싼 프로세서를 생산하지 않았기 때문입니다.

전 세계적으로 IoT 장치의 수가 매년 수십억 개씩 증가하고 있습니다. 엄청난 숫자처럼 보일 수도 있지만 실제로는 이 분야의 잠재력이 훨씬 더 크며 상당히 비싼 실리콘 칩이 이를 방해하고 있습니다. 해결책은 몇 배 더 저렴한 플라스틱 칩을 도입하는 것일 수도 있습니다.

일부 연구 기관에서는 이전에도 다양한 시도를 해왔습니다. 예를 들어 Arm은 2021년에 종이, 플라스틱 또는 직물에 회로를 직접 인쇄할 수 있는 PlasticArm M0 새로운 플라스틱 칩 프로토타입을 출시했습니다. 플라스틱 프로세서 코어는 Arm이 거의 10년 동안 연구해 온 프로젝트이지만, 그럼에도 불구하고 Arm의 연구는 표준을 충족하지 못합니다.

일리노이 대학 어바나-샴페인 캠퍼스와 영국 칩 제조업체인 PragmatIC Semiconductor의 엔지니어들은 가장 간단한 산업 표준 마이크로컨트롤러라도 플라스틱으로 대량 생산하기에는 너무 복잡하다는 것이 문제라고 말합니다.

이달 말 컴퓨터 아키텍처에 관한 국제 심포지엄에서 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 연구팀은 단순하지만 완전한 기능을 갖춘 플라스틱 프로세서를 시연할 예정입니다. 이러한 종류의 프로세서는 1센트 미만의 비용으로 제작할 수 있습니다. 페니). 팀은 4비트 및 8비트 프로세서를 모두 설계했습니다. 그러나 이번 연구에 대한 자세한 내용은 공개되지 않았습니다.

팀 리더인 Rakesh Kumar는 "4비트 프로세서의 약 81%가 작동할 수 있으며 이는 1센트 임계값을 깨기에 충분합니다."라고 말했습니다.

Rakesh Kumar

Kumar는 유연한 전자 장치가 수십 년 동안 판매되었다고 말했습니다. , 팀의 프로세서는 플라스틱 위에 제작할 수 있고 몇 밀리미터 반경 내에서도 계속 작동할 수 있는 유연한 박막 반도체인 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO)을 사용하여 만들어졌습니다. 그러나 탄탄한 제조 공정이 전제조건이기는 하지만 차이를 만드는 것은 바로 디자인입니다.

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

왜 실리콘이 아닌가?

왜 실리콘 프로세서를 매우 저렴하게 만들 수 없고 유연한 컴퓨팅 성능을 가질 수 없는지 궁금하실 것입니다. Kumar의 분석은 이것이 불가능하다는 결론을 내렸습니다. 실리콘은 플라스틱에 비해 가격이 비싸고 유연성이 떨어지기 때문에 플라스틱 칩을 충분히 작게 만들면 구부러지는 범위 내에서도 계속 작동할 수 있습니다. 실리콘이 실패하는 이유는 두 가지가 있습니다. 하나는 회로의 면적을 매우 작게 만들 수 있음에도 불구하고 웨이퍼에서 칩을 잘라내기 위해 칩 가장자리에 상대적으로 큰 공간을 남겨두어야 한다는 것입니다. 일반적인 마이크로 컨트롤러의 경우 회로가 포함된 영역보다 칩 가장자리에 더 많은 공간이 있습니다. 게다가 데이터와 전원이 칩에 들어갈 수 있도록 충분한 I/O 패드를 설치하려면 더 많은 공간이 필요합니다. 결과적으로, 빈 실리콘 웨이퍼는 낭비될 것입니다.

Kumar 팀은 기존 마이크로 컨트롤러 아키텍처를 플라스틱에 적용하는 대신 처음부터 Flexicore라는 디자인을 만들었습니다. 로직 요소의 수에 따라 폐기율이 증가하기 때문입니다. 이를 알고 그들은 필요한 도어 수를 최소화하는 것을 목표로 하는 대체 디자인을 생각해 냈습니다. 16비트 또는 32비트 로직 대신 4비트 및 8비트 로직을 사용합니다. 명령이 저장되는 메모리와 데이터가 저장되는 메모리를 분리하는 것과 같습니다. 그러나 이로 인해 프로세서가 실행할 수 있는 명령의 수와 복잡성이 줄어듭니다.

팀은 프로세서 설계를 더욱 단순화하여 오늘날 CPU의 다단계 파이프라인 대신 단일 클록 주기로 명령을 실행하도록 설계했습니다. 그런 다음 부품을 재사용하여 이러한 명령에 대한 논리를 구현하여 게이트 수를 더욱 줄였습니다. Kumar의 학생인 Nathaniel Bleier는 "전반적으로 우리는 FlexiCore를 계산적으로 단순해지는 경향이 있는 유연한 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 조정하여 FlexiCore의 설계를 단순화할 수 있었습니다."라고 말했습니다.

위 설계를 통해 팀은 2104개의 반도체 장치(1971년 클래식 Intel 4004의 트랜지스터 수와 거의 동일한 수)로 구성된 5.6mm^2의 4비트 FlexiCore 칩을 달성했으며, 작년에 Arm 팀은 개발된 소프트 마이크로프로세서 PlasticARM은 약 56340개의 장치로 구성됩니다. Nathaniel Bleier는 “게이트 수 측면에서 FlexiCore는 가장 작은 실리콘 마이크로컨트롤러보다 훨씬 적습니다.”라고 말했습니다.

엔지니어는 PragmatIC의 제조 공정을 사용하여 플라스틱에 4비트 마이크로컨트롤러를 제작합니다.

FlexiCore는 또한 최적화된 온보드 메모리와 명령어 세트를 갖추고 있어 트랜지스터 수를 최소화하고 복잡성을 줄입니다. 또한 연구원들은 최소한의 트랜지스터 수를 사용할 수 있도록 논리 부품을 설계했습니다. 결국 프로세서는 한 클럭 사이클에 하나의 명령을 실행하도록 설계되었습니다.

이 외에도 팀에서는 FlexiCore 8비트 버전도 개발했지만 효과가 좋지 않았습니다.

PragmatIC Semiconductor의 CEO인 Scott White는 "이것이 바로 진정한 유비쿼터스 전자 제품을 지원하는 데 필요한 일종의 설계 혁신입니다."라고 말했습니다.

PragmatIC 기술을 사용하여 팀은 4비트 및 8비트 프로세서로 플라스틱 코팅 웨이퍼를 생산하고 이를 다양한 전압에서 여러 프로그램에서 테스트하고 무자비하게 구부렸습니다. 이 실험은 기본적인 것처럼 보일 수도 있지만 Kumar에 따르면 이는 획기적인 것입니다. 비실리콘 기술을 사용하여 구축된 대부분의 프로세서는 수율이 너무 낮아 결과가 하나 또는 최대 몇 개의 작동 칩에서만 보고될 수 있습니다. Kumar는 "우리가 아는 한, 비실리콘 기술의 데이터가 여러 칩에 걸쳐 보고될 수 있는 것은 이번이 처음입니다"라고 말했습니다.

PragmatIC는 저비용 칩을 개발해 왔습니다

Kumar는 칩 업계가 일정 수준의 신뢰성과 함께 전력 및 성능 지표를 모두 갖추는 것을 목표로 한다는 점을 관찰했습니다. 그들은 비용, 일관성, 칩 두께에 초점을 맞추지 않습니다. 대신, 새로운 컴퓨터 아키텍처를 구축하고 새로운 애플리케이션을 목표로 삼는 데 중점을 두고 있습니다.

노스웨스턴 대학의 플렉서블 전자공학 분야의 선구자인 John A. Rogers는 이 연구가 인상적이라고 평가하며 이 연구의 후속 개발을 기대하고 있습니다.

물론 이것은 지금까지의 연구에 불과하며 FlexiCore 솔루션이나 유사한 솔루션이 상용화되기까지는 아직 해야 할 일이 많습니다. 그러나 연구자들은 다양한 프로세스와 대상 워크로드에 맞게 솔루션을 최적화하려고 노력했으며 어느 정도 성공했습니다. 굽힘이 플라스틱 칩의 성능과 내구성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 질문도 있습니다.

그러나 이렇게 저렴한 플라스틱 프로세서와 유연한 전자 장치가 주류가 되면서 우리는 곧 진정한 유비쿼터스 전자 장치의 출현을 보게 될 것입니다. 이러한 종류의 칩은 거의 모든 제품의 포장이나 의료용 패치에 부착할 수 있으며 적용 분야가 더 이상 제한되지 않습니다.

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