在塑膠上造晶片，每片不到1美分

想像一下，你周圍的物體到處充滿了智能，一條繃帶、一個香蕉皮、一個瓶子等都具有智能。目前來看，這種場景只能出現在科幻電影裡。你可能會奇怪，科技快速發展的今天，為何這一切還沒實現，這是因為人類還沒有製造出便宜的處理器。

全球物聯網設備的數量每年以數十億的速度成長。看起來這是一個巨大的數字，但實際上這個領域的潛力要大得多，而且相當昂貴的矽晶片正在阻礙它。解決方案可能是引入便宜很多倍的塑膠晶片。

之前有研究機構進行了各種嘗試，例如2021 年Arm 重磅推出PlasticArm M0 新型塑膠晶片原型，可以直接在紙張、塑膠或織物上列印電路，該晶片沒有採用矽作為基底，而是採用塑膠處理器核心，這是Arm 研究了近十年的項目，但即使這樣Arm 的研究也無法達到標準。

伊利諾大學厄巴納 - 香檳分校和英國晶片廠商 PragmatIC Semiconductor 的工程師們認為，問題在於，即使是最簡單的工業標準微控制器也太過複雜，無法在塑膠上大量生產。

在本月稍後舉行的電腦架構國際研討會（International Symposium on Computer Architecture）上，來自伊利諾伊大學厄巴納- 香檳分校的研究小組展示了一種簡單但功能齊全的塑料處理器，這種處理器可以以低於1 美分（sub-penny）的價格製造。團隊設計了 4 位元和 8 位元處理器。不過這項研究更多細節尚未公開。

團隊負責人Rakesh Kumar 表示，「在4 位元處理器中大約有81% 可以工作，這足以突破1 美分的門檻。」

Rakesh Kumar

Kumar 表示，柔性電子產品已經細分市場幾十年了，該團隊製造的處理器是使用柔性薄膜半導體銦鎵鋅氧化物(IGZO) 製成的，這種薄膜半導體可以建立在塑膠上，即使在幾毫米半徑範圍內彎曲也能繼續工作。但是，雖然可靠的製造工藝是先決條件，但真正與眾不同的是設計。

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

為什麼不是矽？

你可能會疑問，為什麼矽處理器不能做的超便宜又兼具靈活運算效能？ Kumar 經過分析認為這不可能實現。與塑膠相比，矽既昂貴又不靈活，如果你把塑膠晶片做得夠小，在彎曲範圍內也能繼續工作。矽失敗的原因有兩個：一個是雖然電路的面積可以做得非常小，但你仍然需要在晶片邊緣留出相對較大的空間，以便從晶圓中切出晶片。對於一般的微控制器，晶片邊緣的空間比包含電路的區域多。更重要的是，你還需要更多空間來安裝足夠的 I/O 焊盤（I/O pad），以便數據和電源可以進入晶片。這樣一來，就會有空白矽片被浪費。

Kumar 團隊沒有將現有的微控制器架構改編為塑料，而是從頭開始創建名為 Flexicore 的設計。由於廢品率隨著邏輯元件的數量而增加。了解到這一點，他們想出了另一種設計，旨在最大限度地減少所需的門數量。他們使用 4 位元和 8 位元邏輯而不是 16 位元或 32 位元邏輯。就像將儲存指令的記憶體與儲存資料的記憶體分開一樣。但這樣伴隨而來的減少了處理器能夠執行指令的數量和複雜性。

團隊進一步簡化了處理器的設計，將處理器設計為在單一時脈週期內執行指令，而不是當今 CPU 的 multistep pipeline 形式。然後他們透過重複使用部件來實現這些指令的邏輯，這進一步減少了閘數。 「總的來說，我們能夠根據靈活應用程式的需求對其進行客製化來簡化 FlexiCores 的設計，這些應用程式往往在計算上很簡單，」Kumar 的學生 Nathaniel Bleier 表示。

透過上述設計，團隊實現了一個具有5.6 mm^2 的4 位元FlexiCore 晶片，僅由2104 個半導體裝置組成（大約與1971 年經典Intel 4004 中的電晶體數量相同），而去年Arm 團隊開發出的軟性微處理器PlasticARM 則由大約56340 個裝置組成。 「就門數而言，FlexiCore 比最小的矽微控制器少一個數量級，」Nathaniel Bleier 表示。

工程師使用 PragmatIC 的製造流程在塑膠上製造 4 位元微控制器。

FlexiCore 還具有最佳化的板載記憶體和指令集，可最大限度地減少電晶體數量並降低複雜性。研究人員還設計了邏輯元件，使他們可以使用最少的晶體管。畢竟，處理器被設計為在一個時脈週期內執行一條指令。

此外團隊也開發了 8 位元版本的 FlexiCore，但效果不佳。

「這正是支持真正無所不在的電子產品所需的設計創新，」 PragmatIC Semiconductor 執行長 Scott White 表示。

借助PragmatIC 技術，該團隊生產了具有4 位元和8 位元處理器的塑膠塗層晶圓，並在多個程式中以不同電壓對它們進行測試，並毫不留情地進行彎曲。這個實驗看起來很基礎，但根據 Kumar 的說法，它是開創性的。大多數使用非矽技術構建的處理器產量都很差，以至於只能從一個或最多幾個可工作的晶片中報告結果。 「據了解，這是首次可以報告來自多個晶片的非矽技術的數據，」Kumar 表示。

PragmatIC 一直致力於低成本晶片

Kumar 觀察到，晶片產業的目標是兼顧功率和性能指標，以及某種程度的可靠性。他們並沒有將重點放在成本、一致性和晶片薄度上。而是將重點放在建立新的電腦架構並瞄準新的應用程式。

美國西北大學的柔性電子先驅 John A. Rogers 稱這項工作令人印象深刻，並期待這項研究的後續發展。

當然，這只是迄今為止這項研究的工作，在 FlexiCore 解決方案或類似解決方案上市之前還有很多工作要做。然而，研究人員已經嘗試針對不同的流程和目標工作負載優化他們的解決方案，並且取得了一些成功。還有關於彎曲如何影響性能以及塑膠晶片的耐用性的問題。

然而，隨著如此便宜的塑膠處理器和柔性電子產品成為主流，我們很快就會看到真正無處不在的電子產品的曙光。這種晶片可以放置在幾乎任何產品的包裝上或醫療貼片上，應用領域不在受限制。

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