鑽石舞台

幾十年來，充滿希望的技術人員一直在追求一個世界，在這個世界中，由於超級便宜的可編程塑料處理器，你遇到的每一件物品——繃帶、瓶子、香蕉——都會有某種智能。如果您一直想知道為什麼還沒有發生這種情況，那就是沒有人能夠製造出數十億美元的工作處理器，每個處理器的成本不到一美分。

不是因為不想嘗試；2021 年，Arm 用塑料複製了其最簡單的 32 位微控制器 M0，但即使這樣也無法達到標準。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和英國柔性電子製造商PragmatIC Semiconductor的工程師表示，問題在於即使是最簡單的行業標準微控制器也過於複雜，無法在塑料上批量製造。

在本月晚些時候的國際計算機體系結構研討會上進行的研究中，跨大西洋團隊展示了一種簡單但功能齊全的塑料處理器，該處理器可以以低於一便士的價格製造。伊利諾伊州團隊專門設計了 4 位和 8 位處理器，以最大限度地減小尺寸並最大限度地提高生產的工作集成電路的百分比。81% 的 4 位版本有效，團隊負責人Rakesh Kumar 說，這已經足夠好，可以突破一分錢的障礙。

「幾十年來，柔性電子產品一直是利基市場，」kumar說。他補充說，這項產量研究表明「他們可能已經為主流做好了準備。」

他的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料上，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。

您可能想知道為什麼硅處理器不能完成超便宜的靈活計算工作。Kumar 的分析表明它不會起作用。與塑料相比，硅既昂貴又不靈活，但如果你把芯片做得足夠小，塑料就可以在它周圍彎曲。然而，硅在這個任務中失敗的原因有兩個：一個是雖然電路的面積可以做得非常小，但你仍然需要在邊緣周圍留出相對較大的空間，以便芯片可以從芯片中切出。晶圓。對於像 Flexicore 這樣簡單的微控制器，邊緣周圍的空間比包含電路的區域要多。更重要的是，您還需要更多空間來安裝足夠的 I/O 焊盤，以便數據和電源可以進入芯片。突然間，你得到了一大片昂貴的空白硅片，

Kumar 的團隊沒有將現有的微控制器架構改編為塑料，而是從頭開始創建了一種名為 Flexicore 的設計。「隨着門數的增加，良率會迅速下降，」Kumar 說。知道了這一點，他們想出了一種設計，旨在最大限度地減少所需的門數量。使用 4 位和 8 位邏輯而不是 16 位或 32 位會有所幫助。就像將存儲指令的內存與存儲數據的內存分開一樣。但它們也減少了處理器能夠執行的指令的數量和複雜性。

該團隊進一步簡化了處理器，將處理器設計為在單個時鐘周期內執行指令，而不是當今 CPU 的多步流水線。然後他們設計了通過重用部件來實現這些指令的邏輯，進一步減少了門數。「總的來說，我們能夠根據靈活應用程序的需求對其進行定製，從而簡化 FlexiCores 的設計，這些應用程序往往在計算上很簡單，」Kumar 的學生 Nathaniel Bleier 說。

所有這些催生了一個 5.6 平方毫米的 4 位 FlexiCore ，它僅由 2,104 個半導體器件組成（與 1971 年的 Intel 4004 中的晶體管數量大致相同），而 PlasticARM 則由大約 56,340 個器件組成。「就門數而言，它比最小的硅微控制器少一個數量級，」他說。該團隊還開發了 8 位版本的 FlexiCore，但效果不佳。

「這正是支持真正無處不在的電子產品所需的設計創新，」 PragmatIC Semiconductor 首席執行官Scott White說。

藉助 PragmatIC，伊利諾伊州的團隊生產了充滿 4 位和 8 位處理器的塑料塗層晶圓，並在多個程序上以各種電壓對它們進行了測試，並毫不留情地彎曲它們。這個實驗看起來很基礎，但根據 Kumar 的說法，它是開創性的。大多數使用非硅技術構建的研究處理器的良率都很差，以至於只能從一個或最多幾個工作芯片報告結果。「據我們所知，這是第一項工作，任何人都報告了來自多個芯片的任何非硅技術的數據，」他說。

Kumar 的團隊對這一成功並不滿意，因此想出了一個設計工具來探索針對不同應用程序的架構優化。例如，該工具表明，通過允許門數增加一點，可以顯着降低功耗。

Kumar 觀察到，芯片行業的目標是「功率和性能指標以及某種程度的可靠性」。「我們沒有關注成本、一致性和薄度。關注這些使我們能夠構建新的計算機架構並瞄準新的應用程序。」

西北大學的柔性電子先驅約翰 A. 羅傑斯稱這項工作「非常令人印象深刻」。他期待着對彎曲對電路性能影響的實驗研究。

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