重大設計轉變可能很快將產生出價格低廉的柔性芯片。

幾十年來，滿懷希望的技術人員一直令人期待這樣一個世界：借助超低價的可編程塑料處理器，繃帶、瓶子、香蕉等一切物體都將具備某種智能。也許你想知道為什么這種情況尚未出現，那是因為沒有人能以不到1美分的單價，制造數十億支可用的處理器。

這不是因為缺少努力。2021年，Arm用塑料重新制造其最簡單的32位微控制器M0，但即便如此也不能指望實現預期效果。伊利諾伊大學香檳分校和英國柔性電子產品制造商PragmatIC Semiconductor的工程師表示，問題在于，如果用塑料進行大批量生產，即便是最簡單的工業標準微控制器也顯得非常復雜。

2022年6月，在計算機體系結構國際研討會上，這個跨大西洋的團隊介紹了一種簡單但功能完善的塑料處理器，其制造成本可以低于1美分。伊利諾伊團隊專門設計了4位和8位處理器，將尺寸最小化，并最大限度地提高生產可用集成電路的百分比。該團隊的負責人拉凱什?庫馬爾（Rakesh Kumar）說，81%的4位處理器是可用的，這么好的成品率足以突破1美分的門檻。

庫馬爾說：“幾十年來，柔性電子產品一直屬于小眾市場。”他補充道，這項成品率研究表明“它們可能已經準備好成為主流”。

這種處理器采用氧化銦鎵鋅柔性薄膜半導體制造，可以在塑料上構建，即使彎曲半徑為幾毫米，也可以繼續工作。但先決條件是有可靠的制造工藝，關鍵在于設計。

庫馬爾的團隊并沒有讓現有微控制器結構來適應塑料，而是從頭開始，創造了一種名為“FlexiCore”的設計。“隨著邏輯門數量的增多，成品率下降得非常快。”庫馬爾說。認識到這一點，他們提出了一種將所需門數最小化的設計。使用4位和8位邏輯而非16位或32位是有幫助的。將存儲指令的存儲器與存儲數據的存儲器分開也是如此。此外，他們還減少處理器能執行指令的數量，并降低指令的復雜性。

該團隊對設計做了進一步簡化，安排處理器在單一時鐘周期執行指令，而不是采用當今CPU的多級管道。此外，他們還設計邏輯重復使用部件執行指令，從而進一步減少邏輯門數。“總之，我們簡化了FlexiCore設計，可根據柔性應用的需求來進行剪裁，柔性應用趨向于計算簡單。”庫馬爾的學生納撒尼爾?布萊葉（Nathaniel Bleier）說。

由此打造的4位FlexiCore僅5.6平方毫米，由2104個半導體元件組成（大約相當于1971年英特爾4004中晶體管的數量），而PlasticArm中半導體元件的數量多達3.8萬個。

“就邏輯門數而言，它比最小的硅微控制器要低1個數量級。”他說。此外，該團隊還開發了8位版本的FlexiCore，但效果并不好。

“要支持真正無處不在的電子器件，這正是我們需要的設計創新。”PragmatIC的首席執行官斯科特?懷特（Scott White）說。

伊利諾伊團隊與PragmatIC合作生產出鋪滿4位和8位處理器的塑料涂層晶圓，并通過多個程序、多種電壓并施加壓力使其彎曲，對其進行測試。這種實驗看起來很基礎，但庫馬爾表示，它是開創性的。大多數研究采用非硅技術制造的處理器成品率很低，只有1個或最多幾個可工作的芯片可報告結果。

“據我們了解，對所有非硅技術，這是首次多芯片報告的數據。”他說。

庫馬爾的團隊并不滿足于這種成就，他們創造了一種設計工具，探索針對不同應用的結構優化。例如，該工具顯示，略微提高邏輯門數可明顯降低耗電量。

庫馬爾注意到，芯片行業的目標一直是“兼顧功率和性能，以及一定程度的可靠性。我們一直沒有關注成本、保型性和薄度。如果注重這些因素，我們將創建新的計算機結構，面向新的應用。”

美國西北大學的柔性電子先驅約翰?A. 羅杰斯（John A. Rogers）稱這項工作“令人印象深刻””并期待電路性能的彎曲效果實驗研究。

為什么不是硅？

你也許會有疑問，為什么硅處理器不能實現超低價柔性計算？庫馬爾分析認為這無法實現。如果把芯片做得非常小，塑料就可以實現柔性彎曲。然而，硅還是無法勝任，原因有二：首先，雖然電路的面積可以做到非常小，但仍需要在芯片邊緣周圍保留相對較大的空間，以便從晶圓中切出芯片。對于像FlexiCore一樣簡單的微控制器，邊緣周圍的空間將大于載有電路的區域。第二，如果采用硅，就需要更多的空間安置足夠的I/O焊盤，以便數據和電源進入芯片。這樣一來，硅片就會出現大塊的空白區域，其成本就會超過1美分這一關鍵指標。

審核編輯 ：李倩