非硅基塑料芯片研发成果，更有利于物联网芯片和产业发展

自从半导体面世以来，芯片一直是从“沙子”中提取硅制作而成，因此，芯片也成为硅片，这个理论一直没被打破。不过，ARM在研发近十年以后，终于实现了非硅基微控制器——一款“塑料”芯片，这款“塑料”芯片能够以特殊的工艺进行制作，并能够充分发挥物联网的潜力。

研究配图-1：PlasticARM架构与特性

在近日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，该公司隆重介绍了《一款灵活的32位ARM微处理器》。

此前有关“塑料”或柔性电子产品的概念，已经存在了较长的一段时间。其通常涉及大而简单的制造工艺、基础的8位加法器、或显示屏。

不过我们现在看到的，则是ARM与PragmatIC合作打造的、业内最受欢迎的微控制器之一（M0）的全功能非硅版本。

研究配图-2：测试流程

据悉，M0内核处于ARM核心产品堆栈的最基础层级。得益于极简的设计，这款广为流行的微控制器的芯片面积很小，很适合对功耗有较高要求的简单任务。

换言之，我们不会很快的新一代大型设备上见到非硅芯片的身影，但许多依赖M0内核来执行基本控制任何的集成电子设备，将迎来这方面的较大变化。

至于PlasticARM项目，其旨在在柔性“塑料”介质上重建M0核心，并且拥有两项重要特征。

研究配图-3：标准单元架构的演变

首先，非硅处理器/微控制器使得我们在包装、服装、医用绷带等方面实现一定程度的可编程性。

比如与粒子传感器配合使用，以确定包装内的食物是否发生了腐败或污染，而不再适合人类食用。

其次，与等效的硅芯片设计相比，大规模柔性微控制器的处理成本，较前者低了好几个数量级。

值得一提的是，报道称新M0设计、较当前最先进的“塑料”计算设计要强12倍。

研究配图-4：缓冲区布局与传输特性

ARM在新闻稿中称，PlasticM0设计具有128字节的RAM+456字节的ROM，同时还支持32位ARM微体系架构。

此外由发表于《自然》杂志上的研究论文可知，该处理器由“聚酰亚胺”基板构成，辅以薄膜金属氧化物晶体管（例如IGZOTFT）工艺。

其在基础上仍属于光刻工艺，需运用旋涂和光刻胶技术，最终成品拥有13个材料层和4个可布线的金属层。

不过自IGZO显示技术投入运用以来，TFT设计已经相当普及，生产成本也做到了相当低廉。

研究配图-5：PlasticARM的RTL模拟

该内核支持ARMv6-M架构，具有16位ThumbISA和32位Thumb子集。与常规版本的M0一样，其数据和地址位宽均为32-bit，辅以2级有序设计流水线、且支持86条指令。

与硅基M0内核的主要区别，在于“塑料”M0设计并未将寄存器放在CPU内部、而是映射到了128字节的DRAM上，因为后者能够更好地支持TFT设计。

除此之外，PlasticM0内核还是与所有其它CortexM0内核实现二进制兼容。芯片大小上，使用台积电90nm硅工艺的CortexM0芯片的典型尺寸为0.04mm2。

而使用等效800nmTFT工艺的PlasticARM的核心，则是59.2mm2（7.536毫米×7.856毫米）。

研究配图-6：PlasticARM芯片的三项仿真测量

综上所述，PlasticM0内核的大小，约为标准物联网芯片的1500倍。另一个较大的区别，就是其在3V输入下的频率约为20~29kHz。

此外由ARM设计文档可知，针对功率（而非频率）进行优化的180nm超低泄露工艺，可让M0在50MHz的频率下运行（差异在1600~2500倍）。

ARM指出，PlasticM0设计拥有56340个器件，结合了39157个薄膜n型晶体管+17183个电阻器。

此设计的目标是不添加任何物理电阻，通过在TFT层级使用更高电阻的光刻材料，以实现更小的尺寸。

总体而言，该论文预测了18334个NAND2门的等效硅设计。PlasticM0内核在29kHz频率下的总功率为21mW，其中99%为静态功率（45%内核/33%内存/22%IO）。

处理器上的28个引脚，允许时钟信号生成、复位、GPIO、供电、以及调试。感兴趣的朋友，可移步至《Nature》查看《Anativelyflexible32-bitArmmicroprocessor》全文。

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