Разработчики ARM создали технологию производства «исходно гибкого» 32-битного процессора PlasticARM. Чип площадью 59,2 кв. мм изготавливается на гибкой подложке с применением 0,8 мкм TFT-технологии и полностью совместим с ПО и инструментами разработки для чипов Cortex-M с архитектурой ARMv6-M. По словам авторов, их гибкий чип «как минимум» в 12 раз больше, чем лучшие его предшественники.
Гибкий, тонкий, недорогой
Разработчики из компании ARM Limited, которая специализируется на создании вычислительных RISC-микроархитектур, представили технологию производства гибких процессоров PlasticARM. В статье «A natively flexible 32-bit Arm microprocessor» («Исходно гибкий 32-битный микропроцессор Arm»), опубликованной в научном журнале Nature, авторы проекта рассказали о созданном ими 32-битном гибком процессоре, результатах его испытания и о технологии его массового производства.
В отличие от распространенного в настоящее время подхода к производству гибкой электроники – когда исходно негибкие фрагменты кремниевых пластин с кристаллами микросхем и других компонентов монтируются на гибкой полимерной подложке, разработчики из ARM предложили производить микропроцессоры изначально на гибких подложках из полиимида (polyimide).
В сочетании с применением метал-оксидных тонкопленочных транзисторов (TFT), технология PlasticARM позволяет резко снизить стоимость производства гибких чипов при значительном уменьшении геометрии элементов, что также важно для запуска крупномасштабного производства. Несмотря на невысокую производительность первых образцов гибких 32-битных процессоров PlasticARM на базе ядра ARM Cortex-M0+, разработчики уверены, что со временем смогут портировать технологию на более производительные микроархитектуры.
Гибкий фантастик
За последние два десятилетия гибкая электроника совершила серьезный прогресс и сегодня на рынке присутствуют различные недорогие, тонкие гибкие компоненты, включая сенсоры, память, батареи, светодиоды, радиочастотные метки, контроллеры, антенны и другие, пишут авторы статьи. Нет только массового гибкого микропроцессора, основной проблемой при производстве которого является необходимость размещения достаточно большого числа тонкопленочных транзисторов на гибкой подложке.
Для реализации процессоров должна была появиться достаточно зрелая технология, а до этих пор под гибкой электроникой обычно подразумевали конструкции из негибких модулей, связанных друг с другом гибкими проводами и затем размещенными на гибком полимере.
Кремниевые полупроводники в традиционных процессорах имеют упорядоченную кристаллическую и, следовательно, совсем не гибкую структуру. В отличие от них, аморфный кремний, который применяется при производстве солнечных батарей и ЖК-дисплеев, достаточно гибок, и технологии создания транзисторов на его основе отлично изучены и более просты, чем для кристаллического кремния.
Образец гибкого 32-битного процессора PlasticARM, разработанного авторами статьи, выполнен на базе вычислительного ядра ARM Cortex-M0+ с процессорной микроархитектурой ARMv6-M. Эта архитектура с поддерживает достаточно богатый набор из 86 инструкций, и сопровождается широким набор инструментов разработки программного обеспечения, в котором есть компиляторы, отладчики, компоновщики, интегрированные среды разработки и другое.
Гибкая «система-на-чипе» (SoC) PlasticARM площадью 59,2 кв. мм содержит 18 334 эквивалентных логических элемента NAND2, что, по заявлению авторов, делает ее «как минимум в 12 раз более сложной, чем предыдущие интегральные схемы», когда-либо созданные с использованием структур TFT.
| Процессор | PlasticARM | Flexible 8-бит ALU | Специальные FlexIC для машинного обучения | BNN FlexIC |
|---|---|---|---|---|
| Площадь, кв. мм | 59,2 | 225,6 | 5,6 | 5,86 |
| Технология | 0,8 мкм металл-оксид TFT | Органические с двойным затвором плюс металл-оксидные TFT, 5 мкм | 0,8 мкм металл-оксид TFT | 0,8 мкм металл-оксид TFT |
| Тип логики | Униполярный транзистор n-типа с резистивной нагрузкой | Комплиментарная пара оксид n-типа и органика p-типа | Униполярный транзистор n-типа с резистивной нагрузкой | Униполярный транзистор n-типа с резистивной нагрузкой |
| Напряжение, В | 3 | 6,5 | 4,5 | 3 |
| Число контактов | 28 | 30 | 23 | 23 |
| Процессорное ядро | 32-битное ARM Cortex-M | 8-bit ALU плюс P2 ROM | Специальная разработка | Специальная разработка |
| Элементы | 56 340 (39 157 TFT и 17 183 резисторов) | 3 504 | 3 132 (2 084 TFT и 1 048 резисторов) | 4 489 (3 028 TFT и 1 462 резисторов) |
| Число затворов в эквиваленте NAND2 | 18 334 | 876 | 1 024 | 1 421 |
| Макс. тактовая частота, кГц | 29 | 2,1 | 104 | 22 |
| Энергопотребление, мВт | 21 | — | 7,2 | 1,1 |
| Энергоемкость, мВт*мм-2 | 0,4 | — | 1,3 | 0,2 |
Помимо 32-разрядного процессора, архитектура гибкого чипа PlasticARM включает память (ROM и RAM), системную межкомпонентную матрицу AHB-LITE, ряд интерфейсных блоков и интерфейс внешней шины GPIO. Постоянная память емкостью 456 байт содержит системный код и тестовые программы, 128 байт оперативной памяти реализованы в виде регистрового файла и в основном используются в качестве стека. Чип способен запускать программы из своей внутренней памяти.
Несмотря на полную бинарную совместимость гибкого чипа PlasticARM со всеми процессорами семейства Cortex-M (включая Cortex-M0+), между ними имеется одно ключевое различие. Определенная часть ОЗУ (около 64 байт) в PlasticARM выделена регистрам процессора и находится в ОЗУ, в то время как в Cortex-M0+ регистры остаются в процессоре. Более медленный доступ к регистрам в PlasticARM компенсируется значительным сокращением – до трех раз, площади самого центрального процессора чипа.
Гибкие процессоры PlasticARM изготавливаются на стандартной коммерческой производственной линии компании FlexLogIC с соблюдением норм техпроцесса 0,8 мкм, с применением технологии металл-оксидных TFT с проводимостью n-типа на основе оксида индия-галлия-цинка (IGZO). Гибкие микросхемы формируются на пластине из полиимида диаметром 200 мм.
Ячейки IGZO TFT изготавливаются на обычном оборудовании с адаптацией под использование гибкой (полиимидной) подложки толщиной менее 30 мкм. Транзисторы имеют длину канала 0,8 мкм, минимальное напряжение питания составляет 3 В.
ИТ в банках
Для производства PlasticARM разработчики подготовили полный комплект проектной документации, включая библиотеку ячеек и инструменты моделирования для устройств и схем.
Испытания PlasticARM
Несмотря на все преимущества технологии TFT, аморфный кремний имеет ряд своих недостатков, включая низкую производительность, энергоэффективность и плотность размещения транзисторов. Впрочем, многие потенциальные рынки применения гибкой электроники – такие как устройства интернета вещей, носимая (надеваемая электроника), маркировка продуктов и другие, не требуют особо высокой производительности, подчеркивают авторы проекта.
Гибкий микропроцессор PlasticARM работает на частоте до 29 кГц. Его потребление энергии не превышает 21 мВт, преимущественно (более 99%) статически. На процессор приходится 45% расхода потребляемой энергии, на память 33% и на периферию 22%. Для гибких процессоров это, безусловно, рекордное достижение, однако тот же процессор ARM Cortex-M0+, выполненный по традиционной «негибкой» технологии CMOS, потребляет немногим более 10 мВт на частоте до 1 МГц.
Чип оснащен 28 контактами. В его конструкции не используются специальные методы уменьшения электростатического разряда, вместо этого все входы содержат конденсаторы емкостью 140 пФ, а выходы управляются выходными драйверами с активными запирающими транзисторами.
По итогам тестовых испытаний разработчики сообщили о полной функциональности чипа PlasticARM, успешно выполнившем тестовые программы, зашитые в ПЗУ на стадии производства. В будущих реализациях процессора разработчики обещают использовать ПЗУ с возможностью обновления программного кода после изготовления.
Транзисторные структуры IGZO TFT известны высокой гибкостью – вплоть до радиуса кривизны 3 мм без повреждений. Авторы статьи сообщили, что многократные испытания чипов PlasticARM подтвердили эти показатели.
Дальнейшие перспективы технологии
Одним из следующих шагов в разработке гибких процессоров команда разработчиков из ARM планирует сокращение энергопотребления, которое является ключевой проблемой любой технологии резистивной нагрузки. На следующем этапе разработчики также намерены довести число вычислительных ячеек гибкого процессора до 100 тыс. транзисторных затворов с низким энергопотреблением.
В своей статье они указывают, что технология PlasticARM потенциально может исчерпать свои возможности при достижении порога чуть менее 1 млн транзисторных затворов. Переход к чипам с более чем 1 млн затворов, по их мнению, с большой вероятностью потребует дополнительной адаптации традиционной технологии металл-оксид-полупроводник (CMOS).
По мнению авторов проекта, гибкие процессоры PlasticARM даже при небольшом уровне производительности найдут широкое применение в различных «умных» повседневных вещах – таких как бутылки (молоко, сок, алкоголь, духи), упаковка продуктов, одежда, носимые пластыри, бинты и многое другое, за счет низкой себестоимости производства, ультратонкого форм-фактора и простоты интеграции с повседневными предметами.
В своей статье они говорят о том, что технология PlasticARM может стать «пионером в разработке недорогих, полностью гибких интеллектуальных интегрированных систем», которые позволят создать «Интернет всего».
