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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，科學期刊英國《Nature》（自然）雜志今天凌晨發表了一項電子行業最新突破性技術進展：由Arm公司領銜，聯合全球柔性電子產品供應商PragmatIC等機構，結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、高達18334個等效門的微處理器PlasticARM。該芯片有望推動低成本、全柔性智能半導體與集成電路產業的發展。
本論文通訊作者、Arm研究院首席研究工程師、英國PlasticArmPit項目負責人埃姆雷·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，她將極大擴展基于Arm技術的潛在應用范圍，有望應用于牛奶瓶外殼的電子標簽、傷口護理和醫療保健的智能貼片等場景中，數以百萬計的電子產品可從中受益。
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，結合她的實用性，這一新成果可極大推動智能設備、物聯網等應用領域的發展。
塑料也能成為芯片材料，柔性不完全要放棄硅
近50年前，英特爾創造了世界上第一個可商業量產的微處理器——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工藝技術在硅基材料中制造，只能進行簡單的運算計算。
自從取得這一突破性成就以來，隨著技術的不斷發展，芯片結構越來越復雜，目前最先進的硅64位微處理器達到5nm制程工藝，包括英偉達最強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備的核心，包括智能手機、電腦、路由器、服務器、汽車等產品都用硅芯片。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這一重要話題成為了新趨勢。但生產柔性微處理器，還要有足夠多晶體管進行有意義的計算，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，用她作為制造柔性半導體薄層的襯底，利用新介質和定制化的制造設備進行加工。從原子大小薄的材料到半導體聚合物，各種各樣的芯片可以利用這一流程實現量產。
英國《自然》雜志發表的這篇研究成果是由Arm Ltd公司的科研團隊領銜。基于新的合成材料，新的指令集架構，通過行業標準芯片實現工具的PragmatIC 0.8μm工藝，Arm團隊由此設計出全球首個柔性原生32位、基于ARM架構的微處理器PlasticARM。
PlasticARM處理器結構圖（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）結合構成柔性微處理器。所有關鍵部件——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”材料技術加上柔性特質。該研究的合作者、PragmatIC技術高級副總裁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過程，與硅器件的一致性是關鍵，這樣更容易批量生產芯片并降低成本。
據悉，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，加工技術更簡單，還可以縮小到規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29kHz，功耗僅為21mW。
根據論文所述，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成為迄今為止最復雜的柔性集成電路FlexIC技術。
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，在指令集架構上PlasticARM也做了諸多創新。Arm公司與PragmatIC合作，聯合研發出一種32位Arm Cortex-M0+處理器指令集版本，可以執行ARM Thumb指令的簡化子集，甚至兼容Armv6-M架構中的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行了優化，讓其用作嵌入式處理器，實現最小能耗。
厄澤爾在接受鈦媒體App專訪時表示，這一過程中的設計技術復雜性，以及生產良率是他們團隊面臨的重要挑戰，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部存儲器運行的電路內，當前版本在裝配之后不能更新。但研究團隊認為，未來迭代能實現可編程的存儲器。
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據，并將其傳送到顯示器或更復雜的系統進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），嵌入處理器技術是可能是未來發展趨勢，其應用范圍很廣，可以實現“萬物互聯”，包括在未來十年內，將超過一萬億個無生命物體集成到數字世界中。而微處理器的技術創新，可以給整個行業帶來各種研究和商業機會。
據了解，厄澤爾所在的Arm研發團隊已計劃下一步改進、升級迭代PlasticARM處理器產品，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提高到10萬以上。
后摩爾時代重構全球芯片產業
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，后者是外國一家基于開源RISC-V架構的芯片設計企業。此外，英特爾還在規劃量子芯片、光芯片等新技術。
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，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，人工智能技術的不斷發展，摩爾定律趨緩，IPU、NPU、ASIC、通用GPGPU等芯片概念應運而出，x86、ARM、RISC-V等指令集架構重新大洗牌，EDA技術進入2.0時代，而氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等第三代半導體材料重裝上陣，有望重構硅半導體產業鏈。
天風證券研報指出，超越摩爾定律相關技術發展的重點，存在3條技術路線：
一是發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，實現異構集成。其創新點在于推出各種先進封裝技術，具有降低芯片設計難度、制造便捷快速和降低成本等優勢；
三是在材料環節創新，發展第三代半導體。先進封裝市場具有潛在顛覆性，預計2025可達430億美元。而第三代半導體，材料工藝是芯片研發的主旋律。
我國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明日前表示，后摩爾時代正重構全球芯片產業，同時也給予了我國追趕世界半導體產業的一個機會。
據吳漢明介紹，目前國內已經有公司通過“成熟工藝+異構集成”的方式，利用40nm的成熟工藝+異構集成，產品性能可與16nm媲美。“這也代表著后摩爾時代的技術延伸和發展方向。”
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，2021年，我國集成電路產業規模達到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。未來在我國經濟穩健增長的態勢下，在5G、云計算、物聯網、人工智能、智能網聯汽車等新型應用的驅動下，我國集成電路市場需求仍將持續增長。
“尤其是物聯網的發展，推動大數據、云計算和人工智能的發展。”國家信息化專家咨詢委員會原常務副主任周宏仁指出，數字化、網絡化、智能化技術的應用開始向各種產品滲透，因為全球“物”的數量巨大，“用戶”數量將以百億計。如此龐大的應用需求，勢必影響核心芯片技術的下一輪革命性變革，所需的核心芯片技術的體系架構還在成形之中，是當前全球芯片和產業界競爭的焦點。
周宏仁認為，芯片產業要面向未來，不要揪著x86和ARM的體系架構不放，而要放眼“大智物云”的發展需求，做前瞻性的趕超部署。在關鍵技術領域實現引領性創新突破，符合我國的實際需求，
周宏仁強調，“我們要用有限的人才和社會資源，突出戰略重點，力爭引領下一代核心芯片技術的發展。”
（本文首發鈦媒體App，作者｜林志佳）
