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全球首個柔性原生32位微處理器終于問世！

鈦媒體7月22日消息，科學(xué)期刊英國《Nature》（自然）雜志今天凌晨發(fā)表了一項電子行業(yè)最新突破性技術(shù)進(jìn)展：由Arm公司領(lǐng)銜，聯(lián)合全球柔性電子產(chǎn)品供應(yīng)商PragmatIC等機構(gòu)，結(jié)合金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）和柔性聚酰亞胺（一種耐高溫的塑料），制成了全球首個柔性原生32位、基于ARM架構(gòu)、高達(dá)18334個等效門的微處理器PlasticARM。該芯片有望推動低成本、全柔性智能半導(dǎo)體與集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本論文通訊作者、Arm研究院首席研究工程師、英國PlasticArmPit項目負(fù)責(zé)人埃姆雷·厄澤爾（Emre Ozer）在接受鈦媒體App專訪時表示，該研究展示了全球第一個原生柔性的32位Arm微處理器，它將極大擴展基于Arm技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍，有望應(yīng)用于牛奶瓶外殼的電子標(biāo)簽、傷口護理和醫(yī)療保健的智能貼片等場景中，數(shù)以百萬計的電子產(chǎn)品可從中受益。

科技部下屬的《科技日報》則對該研究評價指：一直以來，微處理器制造所用的材料基本上都是硅，此次新材料的加入使其多了“柔”的特性，結(jié)合它的實用性，這一新成果可極大推動智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

塑料也能成為芯片材料，柔性不完全要放棄硅

近50年前，英特爾創(chuàng)造了世界上第一個可商業(yè)量產(chǎn)的微處理器——Intel 4004，這是一個僅4位的CPU（中央處理單元），具有2300個晶體管，使用10um工藝技術(shù)在硅基材料中制造，只能進(jìn)行簡單的運算計算。

自從取得這一突破性成就以來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，目前最先進(jìn)的硅64位微處理器達(dá)到5nm制程工藝，包括英偉達(dá)最強AI芯片A100、亞馬遜AWS的Graviton2等芯片均擁有超300億個晶體管。正如芯片專家詹姆斯·邁爾斯（James Myers）所說，“我們依照摩爾定律‘在硅中游泳’ ”。

盡管基于硅材料的微處理器是所有電子設(shè)備的核心，包括智能手機、電腦、路由器、服務(wù)器、汽車等產(chǎn)品都用硅芯片。但其也有諸多問題，比如易碎、不靈活的、不耐壓力等，甚至硅芯片價格隨著工藝難度的增加也變得越來越貴，限制了其在日常智能應(yīng)用制造上的可行性，如食品包裝和服裝等。

如今全球缺芯加劇，使得二氧化硅的稀有程度也愈來愈高。因此，柔性材料用于電子學(xué)這一重要話題成為了新趨勢。但生產(chǎn)柔性微處理器，還要有足夠多晶體管進(jìn)行有意義的計算，這一直都是個巨大難題。

柔性電子器件背后的流程非常簡單：從柔性基底（如塑料或紙）開始，用它作為制造柔性半導(dǎo)體薄層的襯底，利用新介質(zhì)和定制化的制造設(shè)備進(jìn)行加工。從原子大小薄的材料到半導(dǎo)體聚合物，各種各樣的芯片可以利用這一流程實現(xiàn)量產(chǎn)。

英國《自然》雜志發(fā)表的這篇研究成果是由Arm Ltd公司的科研團隊領(lǐng)銜。基于新的合成材料，新的指令集架構(gòu)，通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)芯片實現(xiàn)工具的PragmatIC 0.8μm工藝，Arm團隊由此設(shè)計出全球首個柔性原生32位、基于ARM架構(gòu)的微處理器PlasticARM。

PlasticARM處理器結(jié)構(gòu)圖（來源：論文）

在合成材料部分，與在硅晶圓上制造硅基晶體管 (MOSFET) 不同的是，Arm公司團隊使用了一種“非晶硅”的新型材料。基于厚度小于30 μm的聚柔性聚酰亞胺（一種耐高溫的塑料）襯底上，利用PragmatIC的FlexIC 0.8μm工藝，與金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）結(jié)合構(gòu)成柔性微處理器。所有關(guān)鍵部件——32位CPU處理器、RAM、ROM 和互連——均使用非晶硅制成，并在柔性聚合物上制造。

這并非是完全放棄硅基的晶體管，而是基于“硅”材料技術(shù)加上柔性特質(zhì)。該研究的合作者、PragmatIC技術(shù)高級副總裁Catherine Ramsdale解釋指，雖然材料是新的，但其與Arm團隊的想法是，盡可能多地借鑒硅芯片的生產(chǎn)過程，與硅器件的一致性是關(guān)鍵，這樣更容易批量生產(chǎn)芯片并降低成本。

據(jù)悉，非晶硅材料以有序原子陣列的形式存在，可用作太陽能電池板和液晶顯示器等，價格上也很便宜，加工技術(shù)更簡單，還可以縮小到規(guī)模化集成所需的較小尺寸。比如，PlasticARM的CPU部分面積大幅減少約3倍，時鐘頻率最高可達(dá)29kHz，功耗僅為21mW。

根據(jù)論文所述，PlasticARM的面積為59.2平方米，其中處理器面積占45%，存儲器占33%，外設(shè)占22%。并且，“PlasticARM”處理器擁有更多晶體管，包含18,334個NAND2等效邏輯門，比此前金屬氧化物薄膜晶體管構(gòu)成的最佳柔性集成電路多12倍的邏輯門。這使PlasticARM成為迄今為止最復(fù)雜的柔性集成電路FlexIC技術(shù)。

研究人員表示，這一纖薄、低成本的柔性微處理器或可為日用品的智能化開拓道路。

除了制造部分，在指令集架構(gòu)上PlasticARM也做了諸多創(chuàng)新。Arm公司與PragmatIC合作，聯(lián)合研發(fā)出一種32位Arm Cortex-M0+處理器指令集版本，可以執(zhí)行ARM Thumb指令的簡化子集，甚至兼容Armv6-M架構(gòu)中的Arm Cortex-M類處理器。并且，研究人員還針對小型和低功耗使用進(jìn)行了優(yōu)化，讓其用作嵌入式處理器，實現(xiàn)最小能耗。

厄澤爾在接受鈦媒體App專訪時表示，這一過程中的設(shè)計技術(shù)復(fù)雜性，以及生產(chǎn)良率是他們團隊面臨的重要挑戰(zhàn)，特別是較差的噪聲容限、高功耗、以及大的工藝偏差，這些都是團隊需要不斷克服并予以解決的。

不過，PlasticArm處理器被集成在一個可從內(nèi)部存儲器運行的電路內(nèi)，當(dāng)前版本在裝配之后不能更新。但研究團隊認(rèn)為，未來迭代能實現(xiàn)可編程的存儲器。

厄澤爾指出，雖然硅的性能、密度和能效超過了柔性處理器，但PlasticArm的許多潛在用途對性能要求不高，主要像是需要感測、分析少量真實世界數(shù)據(jù)，并將其傳送到顯示器或更復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行記錄和散布信息的場景。

厄澤爾對鈦媒體App表示，在硅芯片不是一個可行的選擇時（主要考量成本的情況下），嵌入處理器技術(shù)是可能是未來發(fā)展趨勢，其應(yīng)用范圍很廣，可以實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，包括在未來十年內(nèi)，將超過一萬億個無生命物體集成到數(shù)字世界中。而微處理器的技術(shù)創(chuàng)新，可以給整個行業(yè)帶來各種研究和商業(yè)機會。

據(jù)了解，厄澤爾所在的Arm研發(fā)團隊已計劃下一步改進(jìn)、升級迭代PlasticARM處理器產(chǎn)品，主要涉及降低功耗等。此外，研究人員還希望下一代處理器的等效邏輯門數(shù)提高到10萬以上。

后摩爾時代重構(gòu)全球芯片產(chǎn)業(yè)

近期多家外媒報道，英特爾計劃出價20億美元收購一家名為SiFive的公司，后者是美國一家基于開源RISC-V架構(gòu)的芯片設(shè)計企業(yè)。此外，英特爾還在規(guī)劃量子芯片、光芯片等新技術(shù)。

這些消息讓人很意外，提出摩爾定律的英特爾，原本堅持x86架構(gòu)，堅持硅制造工藝，如今也開始“叛變”。

近兩年，隨著算力重要性不斷凸顯，人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，摩爾定律趨緩，IPU、NPU、ASIC、通用GPGPU等芯片概念應(yīng)運而出，x86、ARM、RISC-V等指令集架構(gòu)重新大洗牌，EDA技術(shù)進(jìn)入2.0時代，而氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等第三代半導(dǎo)體材料重裝上陣，有望重構(gòu)硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。

天風(fēng)證券研報指出，超越摩爾定律相關(guān)技術(shù)發(fā)展的重點，存在3條技術(shù)路線：

一是發(fā)展不依賴于特征尺寸不斷微縮的特色工藝，以此擴展集成電路芯片功能；

二是將不同功能的芯片和元器件組裝在一起封裝，實現(xiàn)異構(gòu)集成。其創(chuàng)新點在于推出各種先進(jìn)封裝技術(shù)，具有降低芯片設(shè)計難度、制造便捷快速和降低成本等優(yōu)勢；

三是在材料環(huán)節(jié)創(chuàng)新，發(fā)展第三代半導(dǎo)體。先進(jìn)封裝市場具有潛在顛覆性，預(yù)計2025可達(dá)430億美元。而第三代半導(dǎo)體，材料工藝是芯片研發(fā)的主旋律。

中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明日前表示，后摩爾時代正重構(gòu)全球芯片產(chǎn)業(yè)，同時也給予了中國追趕世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個機會。

據(jù)吳漢明介紹，目前國內(nèi)已經(jīng)有公司通過“成熟工藝+異構(gòu)集成”的方式，利用40nm的成熟工藝+異構(gòu)集成，產(chǎn)品性能可與16nm媲美。“這也代表著后摩爾時代的技術(shù)延伸和發(fā)展方向。”

后摩爾時代，正是一個多賽道變道競技的時代。工信部電子信息司司長喬躍山表示，2020年，中國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到8848億元，“十三五”期間年均增速接近20%，為全球同期增速的4倍。未來在中國經(jīng)濟穩(wěn)健增長的態(tài)勢下，在5G、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能網(wǎng)聯(lián)汽車等新型應(yīng)用的驅(qū)動下，中國集成電路市場需求仍將持續(xù)增長。

“尤其是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，推動大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能的發(fā)展。”國家信息化專家咨詢委員會原常務(wù)副主任周宏仁指出，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)的應(yīng)用開始向各種產(chǎn)品滲透，因為全球“物”的數(shù)量巨大，“用戶”數(shù)量將以百億計。如此龐大的應(yīng)用需求，勢必影響核心芯片技術(shù)的下一輪革命性變革，所需的核心芯片技術(shù)的體系架構(gòu)還在成形之中，是當(dāng)前全球芯片和產(chǎn)業(yè)界競爭的焦點。

周宏仁認(rèn)為，芯片產(chǎn)業(yè)要面向未來，不要揪著x86和ARM的體系架構(gòu)不放，而要放眼“大智物云”的發(fā)展需求，做前瞻性的趕超部署。在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)引領(lǐng)性創(chuàng)新突破，符合中國的實際需求，

周宏仁強調(diào)，“我們要用有限的人才和社會資源，突出戰(zhàn)略重點，力爭引領(lǐng)下一代核心芯片技術(shù)的發(fā)展。”

總結(jié)

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