姓名：任佩怡 学号：19020100348 学院：电子工程学院
转自：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1706794824569811142&wfr=spider&for=pc
【嵌牛导读】第一个全功能、非硅的基于 Arm 架构的处理器”，并称它集成了 12 倍于此前最好的柔性 IC 的逻辑门，还表示这是迄今为止最复杂的柔性芯片。
【嵌牛鼻子】原位柔性的 32 位 Arm 微处理器
【嵌牛提问】ARM处理器
【嵌牛正文】
你是否想过给生菜加一个芯片？
假如冰箱里的蔬菜一直没吃，搭载芯片的传感器发现它快变质了，就能提醒你及时吃掉。
图 | 塑料芯片（来源：此前 Arm 相关视频截图）
这不是幻想，最近 Arm 公司联合研制的塑料芯片已实现上述功能。
图 | 塑料芯片（来源：PragmatIC）
当地时间 7 月 21 日，相关论文以《原位柔性的 32 位 Arm 微处理器》（A natively flexible 32-bit Arm microprocessor）为题发表在 Nature 上。
图 | 相关论文（来源：Nature）
这款塑料芯片的名字叫 PlasticArm，该公司表示这是 “第一个全功能、非硅的基于 Arm 架构的处理器”，并称它集成了 12 倍于此前最好的柔性 IC 的逻辑门，还表示这是迄今为止最复杂的柔性芯片。
图 | 塑料芯片（来源：此前 Arm 相关视频截图）
它由 Arm 公司和柔性电子制造商 PragmatIC 合作设计，包含 32 位处理器，处理器中又包含 18000 个逻辑门、56340 个器件、以及 456 字节的只读存储和 128 字节的随机存储。
图 | 塑料芯片的参数（来源：Nature）
芯片包装大约有指甲盖大小，面积为
59.2 m㎡。片上系统采用 0.8μm 金属氧化物薄膜晶体管技术制造，时钟频率最高可达 29kHz，最大功耗为 21mW，其中 99%
以上为静态功耗。此外，它还能执行 16 位 Arm Thumb 指令集架构 和 32 位 Arm Thumb 指令集架构的子集。
（来源：Nature）
据了解，选择使用 Arm Cortex-M0+ 设计的原因之一，是因为它拥有成熟的生态系统。目前，该芯片只能运行三个硬连线到其电路中的测试程序。但是，Arm 称将允许在未来版本中安装新代码。
塑料芯片的晶体管，由金属氧化物即铟、镓和锌的混合物制成，它比硅芯片中的晶体管更薄。基板材料使用一种名为聚酰亚胺的塑料，并在其上构建了薄膜金属氧化物晶体管。
图 | 塑料芯片（来源：此前 Arm 相关视频截图）
据了解，该芯片生产于厚度小于 30μm 的柔性聚酰亚胺基板上，整个过程依赖薄膜材料沉积、图案化和蚀刻，并通过物理气相沉积、原子层沉积和溶液处理的技术组合得以实现。
这意味着在技术上，该芯片仍采用光刻工艺，并使用旋涂技术和光刻胶技术，最终处理器含有 13 个材料层和 4 个可布线的金属层。
研究人员还改变了标准单元架构，使路由器更容易连接单元。为了提高逻辑综合的整体质量，库中添加了几个复杂的逻辑门、以及一些高驱动强度的简单逻辑门。
图 | 标准单元格架构的演变（来源：Nature）
另据悉，此次芯片是在 PragmatIC 公司 的 0.8-μm 节点上、使用行业标准芯片设计工具制造而成，其中包括工艺设计套件 、标准单元库、以及与 PragmatIC 的 FlexLogIC 产品配合使用的仿真工具 。
其中，标准单元库是预先验证的小型构建块的集合，通过使用电子设计自动化 工具，可将它们组装成更大规模的 IC 布局。
图 | Arm 发推介绍这款芯片（来源：Twitter）
既能提醒你喝牛奶，还能为你测体温
加州大学圣芭芭拉分校研究员常林告诉 DeepTech：“这是芯片领域的一个里程碑式成果。近年来，由于传统硅芯片的工艺极限和材料限制，新结构与新材料的研究已成为芯片发展的必然方向。而柔性芯片微处理器的实现，必将大大拓展芯片应用。”
根据哈佛法学院 2018 年的一份报告，超过 80% 的美国人承认在食物过期前就扔掉了，以防止给自己带来疾病。事实上，富裕国家的大多数人往往对食品安全极为谨慎，这是导致每年生产的三分之一食品被浪费的主要因素。
许多人使用 “嗅觉测试” 来判断食物是否过期，但是很多闻起来很好的食物，仍然含有大量有毒细菌。
图 | 我们一般用嗅觉去判断食物新鲜度（来源：Pixabay）
因此在应用上，这款塑料芯片能放置在食品包装中，并与传感器配对去确定内容物是否变质，从而取代保质期纸质标签。
想象一下，假如要在牛奶盒内放置一款计算机芯片，用于检测变质的化学迹象，那么这款芯片肯定是 “日抛型” 的，也就是当天喝完牛奶，牛奶盒就会被扔掉。因此，这款芯片必须成本足够低，才值得商家把它安装到数十亿箱牛奶中。
虽然减少食物浪费是重中之重，但该芯片也能在医疗保健中发挥作用，含有塑料芯片的智能绷带可提供重要的早期感染指标，这或将帮助每年因受伤或轻微感染而死于败血症的 46000 人得到喘息。
此外，把芯片放置在用户胸口，它还能监测用户的心律失常，用户使用后即可丢弃。它还有望催生带传感器的智能衣服、智能容器，还可测量和确定食物是否处在良好的包装中。
可以说，该成果将开创一个真正可弯曲、灵活的微芯片的新时代。自从 50 多年前英特尔推出 4004 CPU 以来，硅一直是半导体制造的基本要素。
硅的崛起取决于两个基本要素：首先，硅是地球上第二常见的元素，因此它既便宜又易得；其次，作为一种天然半导体 ，通过掺杂和氧化，硅既能实现导电性、又能通过其氧化物充当绝缘体。
然而，硅的应用范围越来越受到限制：一方面，它既脆弱又僵硬，这意味着它不能轻易地融入生物应用中，毕竟几乎每个生物体的外形都有弧度；另一方面，虽然硅的生产成本越来越便宜，但就算再便宜，用在一次性消耗品中依然不划算。而塑料芯片则能绕过这些限制。
多年来，Arm 首席研究工程师埃姆雷奥泽（Emre Ozer）博士及其团队，一直关注塑料等硅以外的其他材料。几年前，他的团队开始设计包含数十个晶体管的塑料芯片，后来做到包含数百个晶体管。而如今，这款塑料芯片已经包含数万个晶体管。
图 | 片上系统（来源：Nature）
作为一家把芯片设计图和知识产权出售给芯片供应商的公司，自 2013 年起，Arm 开始与 PragmatIC 公司探索灵活处理器的可行性，期间涉及到构建原型电路，包括环形振荡器、计数器和移位寄存器阵列等。
2015 年，两家公司合作的第一款塑料芯片制造完成，并由当时的 Arm 首席技术官迈克穆勒（Mike Muller）在相关科技会议上展示。但在当时，这款芯片缺乏在柔性塑料基板上创建完整 CPU 所需的单元库和其它工具。
2018 年，上述合作团队创建了 PlasticArmPit 项目，当时他们计划在塑料芯片上开发微小的气味传感器，让它能嵌入从食品包装到 T 恤腋窝的任何地方。此外，该项目得到了快消巨头联合利华的支持，后者正在开发后续的消费类应用。
并非替代硅芯片，而是两者做互补
塑料不仅轻薄灵活，而且还很便宜，但这也让研究人员很痛苦。塑料比硅的熔化温度更低，因此制备塑料时无法使用加热类生产技术。
塑料芯片的面积也并不算小，59.2m㎡ 的面积大约是基于硅的 Arm 处理器 Cortex M0 的 1500 倍之大。
参与该研究的 Arm 工程师詹姆斯迈尔斯（James Myers）也对媒体坦言，这款芯片的速度不是很快，也不具备节能的优点，但把它放在生菜上来跟踪保质期，诸如此类的研究才是该芯片的目标所在。
图 | 塑料芯片（来源：此前 Arm 相关视频截图）
之所以要开发塑料芯片，原因在于当前硅芯片不仅易碎、而且不灵活，一旦遇到压力就会崩溃。虽然硅很便宜，而且越来越便宜，但在某些应用场景，它可能永远不够便宜。
即便如此，塑料芯片并不是硅的替代品，因为它在能耗、密度和性能方面的效率太低。因此，塑料芯片和硅芯片并非替代关系，而是互补关系。
目前，功耗过大是塑料芯片最亟待优化的问题。在相关测试中，研究人员发现该芯片会消耗 21mW 的功率，但其中 99% 基本上被浪费，只有 1% 会被捕获并可用于计算，这比 Arm 公司的 Cortex-M 处理器的标准范围高出了几个数量级。
图 | 测试程序（来源：Nature）
发生这种情况的部分原因是，塑料芯片使用 N 型晶体管而不是 P 型晶体管，而 P 型晶体管在工程设计上面临的挑战更大。因此，研究人员希望能通过不断迭代缩小差距。
同时，该团队还希望能将逻辑门的数量推到
10 万个以上，他们在论文中写道：“金属氧化物 TFT（（Thin Film
Transistor，薄膜晶体管））成本较低，因此还可以缩小到大规模集成所需的更小的几何形状。” 但他们表示，在单个芯片中迁移到超过
1000000 个逻辑门可能需要使用 CMOS 技术。
但无论如何，这都是一次 “大开脑洞的尝试且极具创新的成果”，西南交通大学信息学院电子工程系副系主任邸志雄博士告诉
DeepTech：“该研究是柔性电子进入主流商业市场一次突破性进展，也有望解决柔性电子系统缺乏‘大脑’即主控与计算中心的缺陷，将进一步提升柔性电子系统的复杂度和成熟度。同时，也开辟了低功耗芯片设计的另一个典型应用场景。”
常林也表示：“该成果迈出了新一代便携式和小型化的电子设备产业化的坚实一步。同时在未来，柔性电子芯片与柔性 LED、以及与柔性光子芯片的结合，有望给新型手机、笔记本电脑、通信与传感等带来新的可能性。”
