PlasticArm：获得您的下一个 CPU，无硅制造

Arm以其核心设计IP而闻名，最终应用于从物联网到智能手机再到服务器的所有领域，Arm现在展示它已经以一种新的形式启用了其关键微控制器之一：该公司不是使用硅作为基础，而是启用了一个塑料处理器核心。这项技术已经投入使用了近十年，但 Arm 一直在等待制造方法来创建一个完全工作的核心。现在，该公司已经在有形媒介中开展了一些工作，该研究已发表在《自然》杂志上。 “塑料”或柔性电子产品已经存在了很长时间，通常涉及大而简单的电子流程设计，或基本的 8 位加法器，一直到显示器。我们现在看到的有点不同——今天发布的关键新闻是，Arm 与 PragmatIC 合作，生产了 Arm 最受欢迎的微控制器之一 M0 的全功能非硅版本。这个 M0 核心正好位于 Arm 核心产品堆栈的底部，但极简设计是硅处理器的流行设计，因为它的芯片面积小，并且对简单的微控制器任务有功耗要求。因此，虽然它不会很快为您的下一个大型设备供电，但您拥有的许多集成电子设备可能已经依赖 M0 内核来执行基本控制任务。塑料臂，正如现在所说的，在柔性塑料介质中重新创建 M0 核心。这在两个方面很重要——首先，在硅以外的东西中启用处理器或微控制器的能力将允许在包装、服装、医用绷带等方面实现一定程度的可编程性。例如，与粒子传感器配合使用，它可能允许食品包装确定里面的东西何时因腐败或污染而不再适合人类食用。第二个因素是成本，大规模的灵活处理比等效的硅设计便宜几个数量级。值得称赞的是，据报道，这里的新 M0 设计比当前最先进的塑料计算设计强大 12 倍。在 Arm 的新闻稿中，该公司表示 Plastic M0 设计具有 128 字节的 RAM 和 456 字节的 ROM，同时还支持 32 位 Arm 微体系结构。该处理器由聚酰亚胺基板构成，并通过薄膜金属氧化物晶体管（例如 IGZO TFT）形成。这意味着这在技术上仍然是光刻工艺，使用旋涂和光刻胶技术，最终处理器具有 13 个材料层和 4 个可布线的金属层。然而，自从使用 IGZO 显示器以来，TFT 设计已经很普遍，生产成本仍然很低。该内核支持 ARMv6-M 架构，具有 16 位 Thumb ISA 和 32 位 Thumb 子集。与常规M0一样，数据和地址宽度均为32位，有序设计为2级流水线，内核支持86条指令。与硅 M0 内核的主要区别在于寄存器文件不是在 CPU 内部，而是映射到 128 字节的 DRAM 组。这是因为通过内存映射技术更好地支持 TFT 设计。尽管如此，Plastic M0 内核与所有其他 Cortex M0 内核二进制兼容。

使用台积电 90nm 工艺的硅 Cortex M0 的典型芯片尺寸为 0.04 mm2，而 PlasticArm 使用等效的 800nm TFT 工艺，核心尺寸为 59.2 平方毫米（7.536 毫米 x 7.856 毫米）。这使得 Plastic M0 内核的大小大约是标准物联网实现的 1500 倍。另一个很大的区别在于频率——研究论文指出，Plastic M0 在 3V 输入下的运行频率约为 20-29 kHz；在 Arms 自己的设计文档中，针对功率而非频率进行优化的 180nm 超低泄漏工艺上的 M0 可以在 50 MHz 下运行。那是 1600-2500 倍的频率差异。 Plastic M0 设计使用 56340 器件，它是 39157 个薄膜 n 型晶体管和 17183 个电阻器的组合。由于此设计的目标是不添加任何物理电阻，因此在层内在 TFT 级别实现电阻的纸质文件涉及使用具有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。塑料 M0 内核在 29 kHz 下的总功率为 21 mW，其中 99% 是静态功率（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、电源和调试。 Arm 在其新闻稿中表示，生产的主要障碍之一是技术和制造限制——该项目始于 2013 年，甚至在 2015 年的 Arm TechCon 上展示了使用环形振荡器、计数器和移位寄存器阵列的原型电路.然而，许多关键问题仍未解决，主要是现代处理器所有不同组件的单元库，以及工具流程和生产。随着时间的推移，Arm 的合作伙伴 PragmatIC 通过其正在开展的其他项目，能够构建一系列与 M0 处理器所需的单元库一致。据报道，PlasticArm 的第一次制造和验证于 2020 年 10 月进行。Arm 的研究指出，细胞库的生产是未来解锁进一步设计的关键。随着微控制器和处理器变得越来越复杂，需要更多元素（和不同类型）来创建端到端的可用产品。因此，超越 M0 需要研究在 TFT 设计中启用单个库。除此之外，研究论文还指出需要低功耗库来实现规模化。由于塑料 M0 上的大部分功耗是静态功耗，因此通过设计和制造来降低功耗将是一个研究方向。还有制造的角度——这一切都是在使用 200 纳米聚酰亚胺晶片的光刻工艺中使用沉积技术完成的。塑料加工商的最终目标是尺寸不受限制，并且可以使用传统油墨技术“印刷”。我们还没有到那里，但这无疑是朝着这个方向迈出的一步。因此，虽然我们目前还不能购买 Apple M1 内置塑料，但该技术似乎有很大的未来潜力。发表评论 我读了三遍才意识到它可以处理 86 条不同的指令，而不是 x86 指令。我一直在想，这很奇怪，为什么这个超小型处理器支持x86？大声笑，我想知道工程师是否故意这样做。我想知道他们是否可以关闭从宽带或无线电频率捕获能量的天线。回复

这对于可穿戴设备和智能衣服来说太酷了，他们是否给出了温度规格？回复与灵活的 TEG 相结合，这对于可穿戴体热驱动的传感器或设备来说可能是完美的选择 回复 标准硅 M0 是否足够小以至于它真的不需要灵活？有趣的研究 - 然而，极高的功耗（21mw 与硅 M0 相比是巨大的）和非常低的性能（29kHz 与 50MHz）使这成为一种无法使用的好奇心。为了可用，1mW 或更少的空闲功耗和 1MHz 的速度是最低要求。 （硅 M0 可以管理 11.2 uW/MHz - 这种塑料 M0 需要 724mW/MHz - 效率低 60,000 多倍。）回复它仍然比以前的领先设计好 12 倍，而且仍然便宜得多。您认为这些非常边缘的应用程序需要多少计算量？回复