非硅基PlasticARM芯片设计可充分发挥物联网的潜力
- 来源：cnBeta
- 2021/7/23 12:03:20
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以核心IP设计闻名的ARM，其产品已遍布智能手机、服务器、以及物联网等领域。现在，该公司又介绍了首款非硅基微控制器——它就是投入近十年精力、一直在等待有合适的工艺来制造的一款可完全工作的“塑料”处理器核心。
在近日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，该公司隆重介绍了《一款灵活的32位ARM微处理器》。
此前有关“塑料”或柔性电子产品的概念，已经存在了较长的一段时间。其通常涉及大而简单的制造工艺、基础的8位加法器、或显示屏。
不过我们现在看到的，则是ARM与PragmatIC合作打造的、业内十分受欢迎的微控制器之一(M0)的全功能非硅版本。
据悉，M0内核处于ARM核心产品堆栈的基础层级。得益于极简的设计，这款广为流行的微控制器的芯片面积很小，很适合对功耗有较高要求的简单任务。
换言之，我们不会很快的新一代大型设备上见到非硅芯片的身影，但许多依赖M0内核来执行基本控制任何的集成电子设备，将迎来这方面的较大变化。
至于PlasticARM项目，其旨在在柔性“塑料”介质上重建M0核心，并且拥有两项重要特征。
首先，非硅处理器/微控制器使得我们在包装、服装、医用绷带等方面实现一定程度的可编程性。
比如与粒子传感器配合使用，以确定包装内的食物是否发生了腐败或污染，而不再适合人类食用。
其次，与等效的硅芯片设计相比，大规模柔性微控制器的处理成本，较前者低了好几个数量级。
值得一提的是，报道称新M0设计、较当前前沿的“塑料”计算设计要强12倍。
ARM在新闻稿中称，Plastic M0设计具有128字节的RAM+456字节的ROM，同时还支持32位ARM微体系架构。
此外由发表于《自然》杂志上的研究论文可知，该处理器由“聚酰亚胺”基板构成，辅以薄膜金属氧化物晶体管(例如IGZO TFT)工艺。
其在基础上仍属于光刻工艺，需运用旋涂和光刻胶技术，最终成品拥有13个材料层和4个可布线的金属层。
不过自IGZO显示技术投入运用以来，TFT设计已经相当普及，生产成本也做到了相当低廉。
该内核支持ARMv6-M架构，具有16位Thumb ISA和32位Thumb子集。与常规版本的M0一样，其数据和地址位宽均为32-bit，辅以2级有序设计流水线、且支持86条指令。
与硅基M0内核的主要区别，在于“塑料”M0设计并未将寄存器放在CPU内部、而是映射到了128 字节的DRAM上，因为后者能够更好地支持TFT设计。
除此之外，Plastic M0内核还是与所有其它Cortex M0内核实现二进制兼容。芯片大小上，使用台积电90nm硅工艺的Cortex M0芯片的典型尺寸为0.04mm2。
而使用等效800nmTFT 工艺的PlasticARM的核心，则是59.2mm2(7.536 毫米×7.856毫米)。
综上所述，Plastic M0内核的大小，约为标准物联网芯片的1500倍。另一个较大的区别，就是其在3V输入下的频率约为20~29kHz 。
此外由ARM设计文档可知，针对功率(而非频率)进行优化的180nm超低泄露工艺，可让M0在50 MHz的频率下运行(差异在1600~ 2500倍)。
ARM指出，Plastic M0设计拥有56340个器件，结合了39157个薄膜n型晶体管+17183个电阻器。
此设计的目标是不添加任何物理电阻，通过在TFT层级使用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。Plastic M0内核在29 kHz频率下的总功率为21 mW，其中99%为静态功率(45%内核/33%内存/ 22%IO)。
(原标题：非硅基PlasticARM芯片设计可充分发挥物联网的潜力)
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