塑料芯片诞生！Arm发布首款柔性原生32位微处理器

近日，英国芯片设计公司Arm设计出了一种采用全新外观尺寸的微控制器。值得注意的是，Arm这一次没有采用硅作为基底，而是采用了塑料的处理器核心。这项技术已经研究了近十年，如今Arm终于等到了能够实现该设计的制造方法，并发布在“自然”杂志题为《一种天生柔性的32位Arm微处理器》的研究论文中。

据悉，这款全新发布的PlasticArm M0新型塑料芯片原型，可以直接在纸张、塑料或织物上打印电路。如此一来，只需要非常低廉的成本就可以更轻易的实现“万物互联”的世界。

塑料如何能成为芯片材料？

历经几十年的发展，处理器也实现了从大体积到微型化，从刚性到柔性的跨越式发展。微处理器是众多电子设备的核心，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、路由器、服务器、汽车，以及最近构成物联网的智能对象。

硅基芯片技术的普及，已经嵌入到了地球上的每一个“智能”设备中，但硅基芯片技术也面临着一些难题，比如如何将其布置在诸如瓶子、食品包装、服装、可穿戴贴片、绷带等日常物品上，让它们也能实现智能化？采用传统的硅基芯片技术在成本上带来了极大的阻碍。此外，硅基芯片技术无法实现薄、柔韧等特性，在这些具有一定曲度或者柔软度的物品身上难以实现高度贴合。

柔性电子材料的出现，为解决上述难题提供了新的思路。在《自然》杂志发表的这篇论文中提到，Arm与PragmatIC 合作，做出了Arm最受欢迎的微控制器之一M0的完全实用的非硅版本。

据介绍，Arm柔性芯片的微处理器PlasticARM M0是采用柔性电子制造技术制造的，设计有128字节的RAM和456字节的ROM，还支持32位Arm微架构。Arm在不到60平方毫米的芯片上集成了56340个组件，这个数量比目前最先进的塑料芯片设计强大12倍，计算性能大幅提高。

该处理器采用聚酰亚胺基板，通过薄膜金属氧化物晶体管（比如IGZO TFT）做成。这意味着这从技术上来说仍然是光刻工艺，使用旋涂和光刻胶技术，最后做出来的处理器有13道材料层和4道可布线的金属层。然而，由于自使用IGZO屏幕以来TFT设计已经很普遍，因此生产成本仍很低。

PlasticArmM0设计使用56340器件，该器件结合了39157个薄膜n型晶体管和17183个电阻器。论文称，由于这种设计的目的是没有任何物理添加的电阻器，这么多层内在TFT层面部署电阻器需要使用电阻更高的光刻材料，以实现尺寸更小。总体而言，论文预测了18334个NAND2门的同等硅设计。PlasticArmM0核心在29 kHz下的总功耗为21 mW，其中99％是静态功耗（45％用于核心、33％用于内存、22％用于IO）。处理器上的28个引脚用于时钟信号生成、复位、GPIO、电源和调试。

PlasticArm M0的芯片架构如下图：

其核心支持ARMv6－M架构，16位Thumb ISA与32位Thumb子集相结合。相比于采用台积电90nm工艺的硅Cortex M0而言，PlasticArm M0与传统Cortex M0一样，数据宽度和地址宽度均为32位，循序设计是2级流水线，核心支持x86指令。但重点区别在于，PlasticArm M0寄存器文件不是在CPU内部，而是映射到128字节的DRAM组；此外，PlasticArm M0使用对等的800nm TFT工艺，核心尺寸为59.2 mm2（7.536mm x 7.856mm）。这使得塑料M0核心的大小大约是标准物联网核心的1500倍。另一大区别是主频——研究论文指出，塑料M0在3V输入电压下的主频约20kHz至29kHz；在Arm自己的设计文档中，采用针对功率而非频率进行优化的180nm超低泄漏工艺的M0其主频为50 MHz。主频相差1600倍至2500 倍。

显然，PlasticArm M0或许不是最快或最高效的，但却是最具柔性的，由于塑料芯片既柔软又便宜的特性，它几乎可以被印在任何地方。比如PlasticArm M0使用的金属氧化物薄膜晶体管（TFT）不同于使用脆弱硅基板的处理器，即使是打印在具有一定曲度的表面上也不会降解，在塑料和纸张等材料上廉价打印处理器的可能性得到了提高。

短期内无法取代硅基处理器

当然，基于塑料的芯片也有一定缺陷，它们在能源消耗、密度和性能方面效率太低。比如PlasticArm M0消耗21毫瓦的电力，但其中99％都被浪费了，只有1％被用于计算。该芯片的面积也比较大，为59.2平方毫米，这大约是基于硅的Cortex M0处理器的1500倍大小。芯片面积大还有可能造成的另外一个问题是，处理器不论是在静态还是动态下都会产生热量，通常来说，静态功耗随着芯片制程工艺的提升，晶圆上的漏电流相应也在增加；而动态功耗主要在晶体管开关的瞬间产生，会随着晶体管数量和开关频率（计算频率）显著提升。而对于PlasticArm M0这么一款采用塑料材料打造的芯片来说，芯片工作过热时也有可能出现内部有器件短路导致芯片供电电流增大等情况。

不过，这一点研究团队的成员也考虑到了，Arm研究工程师詹姆斯·迈尔斯表示，PlasticArm M0的速度不会很快，也不属于节能芯片，但可以考虑将其放在生菜上进行保质期跟踪；同时我们还在寻找其他用途，比如智能包装，充当气体传感器以便于告诉人们这个东西是否安全，还能不能吃；亦或是将其用在可穿戴健康贴片上，这些都是科研团队目前正在考虑的方向。

柔性电子技术大有可为

实际上，不论是柔性芯片，还是现在经常能见到的柔性屏幕、柔性电极，都是柔性电子技术的一种。只要是信息技术所涉及的传感、信息传输、信息处理、能源存储等多种环节都有望实现柔性化。

（资料源自东北证券整理）

柔性电子技术的概念最早可以追溯到，上世纪60年代。当时科研人员试图用有机半导体替代硅等无机半导体，从而使有机电子器件具备柔性特点。发展至今，柔性电子技术仍处于起步阶段，研发人员很多时候也是在不断尝试，试图突破传统思路，创造新的领域和产业。

全球各国投入大量科研经费致力于柔性先进性技术工艺及材料的研发，大家侧重的方向也略有不同。比如韩国集中力量在柔性显示和柔性存储领域；日本专注于卷对卷生产工艺及材料研发；英国于2019年与印度联合研发自修复的柔性电子技术；美国开发了世界第一个柔性触摸显示器、利用石墨烯传感器探索大脑神经活动；我国重点规划柔性电子材料在制造工艺、功能材料等方面研究等等。

在OFweek电子工程网看来，目前在国内大家所关注到柔性电子材料更多的可能是在折叠手机、曲面屏等偏向于消费电子产品的场景中。但这些都只是柔性电子技术的“冰山一角”，未来在生物医疗领域或许更能凸显其价值。比如电子皮肤、坐骨神经电信号采集、类皮肤柔性变形传感器、碳纳米纤维泡沫柔性压力传感器、类皮肤柔性压力传感器等系列柔性医疗电子产品的推出，帮助医生在诊断或治疗病患的过程中带来了巨大助力。

从国内的应用状况来看，一些研发团队和企业研制出的柔性电子产品已获得行业监管部门认证。例如，清华大学柔性电子技术团队已设计和大规模制备出价格低廉、且能够监测人体体温和心电信息的柔性电子器件，让使用者较为便捷、及时的了解各项身体信息数据，从而提早做好疾病的防控工作。

除了常规的医疗诊治以外，柔性电子技术在远程医疗、康复保健等方面也能起到很大的作用。对于一些行动不便的病患来说，借助柔性电子技术和物联网技术加持的智能手环、智能可穿戴服饰等设备，不亲自到医院也可以给医生提供病症信息，为医生远程了解病人的病情、及时发现病变因素等提供新的渠道。

参考资料：“自然”杂志论文《一种天生柔性的32位Arm微处理器》、云头条、机器之心、腾讯科技等