在塑料上构建芯片每个不到1美分目前，这种场景只能出现在科幻电影中。您可能想知道为什么在今天的快速技术发展中没有实现这一点。这是因为人类还没有生产出廉价的处理器。全球物联网设备的数量每年以数十亿的速度增长。这似乎是一个巨大的数字，但实际上这个领域的潜力要大得多，而且相当昂贵的硅芯片阻碍了它的发展。解决方案可能是引入便宜很多倍的塑料芯片。此前一些研究机构已经进行了各种尝试。例如，2021年，Arm推出了PlasticArmM0新型塑料芯片原型，可以直接在纸、塑料或织物上印刷电路。该芯片没有使用硅作为基板，而是使用了塑料处理器。Core，这是一个Arm已经研究了近十年的项目，但即便如此，Arm的研究也达不到标准。根据伊利诺伊大学香槟分校和英国芯片制造商PragmatICSemiconductor的工程师的说法，问题在于即使是最简单的行业标准微控制器也过于复杂，无法在塑料上大量生产。在本月晚些时候的计算机体系结构国际研讨会上，伊利诺伊大学香槟分校的一个团队展示了一种简单但功能强大的塑料处理器，其设备的制造成本不到一美分（sub-penny）。该团队设计了4位和8位处理器。但是，该研究的更多细节尚未公开。团队负责人RakeshKumar表示，“大约81%的4位处理器可以工作，这足以突破1美分的门槛。”RakeshKumarKumar表示，柔性电子产品几十年来一直是市场的一个细分市场，该团队制造的处理器是使用柔性薄膜半导体氧化铟镓锌(IGZO)制成的，它可以构建在塑料上，甚至可以继续发挥作用当在几毫米的半径范围内弯曲时。但是，虽然可靠的制造工艺是先决条件，但真正与众不同的是设计。资料来源：https://technewsspace.com/scientists-have-developed-penny-plastic-flexicore-chips-they-promise-to-revolutionize-the-internet-of-things/为什么不是硅？你可能会疑惑，为什么硅处理器不能做到超级便宜又灵活的计算性能呢？库马尔分析说，这是不可能的。与塑料相比，硅既昂贵又不灵活，如果将塑料芯片做得足够小，它将在弯曲范围内继续工作。Silicon失败的原因有两个：一是虽然电路的面积可以做的很小，但是还是需要在芯片的边缘留出比较大的空间，才能把芯片从wafer上切下来。对于典型的微控制器，芯片边缘的空间比包含电路的区域更多。更重要的是，你还需要更多的空间来安装足够的输入/输出焊盘（I/Opad），这样数据和电源才能进入芯片。结果，空白的硅晶片被浪费了。Kumar的团队没有将现有的微控制器架构应用到塑料中，而是从头开始创建了一种名为Flexicore的设计。由于废品率随着逻辑元件数量的增加而增加。知道这一点后，他们想出了另一种设计，旨在最大限度地减少所需门的数量。它们使用4位和8位逻辑而不是16位或32位逻辑。就像将存储指令的内存与存储数据的内存分开一样。但这伴随着处理器可以执行的指令数量和复杂性的减少。该团队进一步简化了处理器的设计，将其设计为在单个时钟周期内执行指令，而不是当今CPU的多步流水线形式。然后，他们通过重复使用部件来实现这些指令的逻辑，这进一步减少了门数。Kumar的学生NathanielBleier说：“总的来说，我们能够通过根据灵活应用的需求定制它们来简化FlexiCores的设计，这些应用往往在计算上很简单。”通过上述设计，该团队实现了一块5.6mm^2的4位FlexiCore芯片，仅由2104个半导体器件组成（大约与1971年的经典英特尔4004中的晶体管数量相同），而由Arm开发的软件团队去年的永久性微处理器PlasticARM由大约56340个器件组成。“就门数而言，FlexiCore比最小的硅微控制器小一个数量级，”NathanielBleier说。工程师使用PragmatIC的制造工艺在塑料上制造4位微控制器。FlexiCore还具有优化的板载内存和指令集，以最大限度地减少晶体管数量并降低复杂性。研究人员还设计了逻辑元件，以便他们可以使用最少数量的晶体管。毕竟，处理器被设计为在一个时钟周期内执行一条指令。该团队还开发了8位版本的FlexiCore，但效果不是很好。“这正是支持真正无处不在的电子产品所需的设计创新，”PragmatICSemiconductor首席执行官ScottWhite说。使用PragmatIC技术，该团队生产了带有4位和8位处理器的塑料涂层晶圆，并在不同电压下在多个程序中毫不留情地对其进行了测试。这个实验看起来很简单，但据Kumar说，它是开创性的。大多数使用非硅技术制造的处理器的成品率都很低，以至于只能从一个或至多几个工作芯片中报告结果。“据我们所知，这是第一次可以报告跨多个芯片的非硅技术数据，”Kumar说。PragmatIC一直致力于低成本芯片Kumar观察到，芯片行业的目标是平衡功耗和性能指标，以及一定程度的可靠性。他们没有关注成本、一致性和芯片薄度。相反，重点是构建新的计算机体系结构和针对新的应用程序。西北大学的柔性电子先驱JohnA.Rogers称这项工作令人印象深刻，并期待这项研究的未来发展。当然，这只是目前为止这项研究的工作，在FlexiCore解决方案或类似产品投放市场之前还有很多工作要做。然而，研究人员已尝试针对不同的流程和目标工作负载优化他们的解决方案，并取得了一些成功。还有关于弯曲如何影响塑料芯片的性能和耐用性的问题。然而，随着如此便宜的塑料处理器和柔性电子产品成为主流，我们很快就会看到真正无处不在的电子产品的曙光。这种芯片几乎可以放在任何产品的包装上或医疗贴片上，应用领域不受限制。
