非硅基PlasticARM芯片設(shè)計(jì)可充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的潛力

2021-07-23 12:03:20來源：cnBeta 關(guān)鍵詞：芯片芯片設(shè)計(jì)閱讀量：24300

導(dǎo)讀：據(jù)悉，M0內(nèi)核處于ARM核心產(chǎn)品堆棧的基礎(chǔ)層級。得益于極簡的設(shè)計(jì)，這款廣為流行的微控制器的芯片面積很小，很適合對功耗有較高要求的簡單任務(wù)。

　　以核心IP設(shè)計(jì)聞名的ARM，其產(chǎn)品已遍布智能手機(jī)、服務(wù)器、以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。現(xiàn)在，該公司又介紹了首款非硅基微控制器——它就是投入近十年精力、一直在等待有合適的工藝來制造的一款可完全工作的“塑料”處理器核心。

　　在近日發(fā)表于《自然》雜志上的一篇文章中，該公司隆重介紹了《一款靈活的32位ARM微處理器》。

　　此前有關(guān)“塑料”或柔性電子產(chǎn)品的概念，已經(jīng)存在了較長的一段時(shí)間。其通常涉及大而簡單的制造工藝、基礎(chǔ)的8位加法器、或顯示屏。

　　不過我們現(xiàn)在看到的，則是ARM與PragmatIC合作打造的、業(yè)內(nèi)十分受歡迎的微控制器之一(M0)的全功能非硅版本。

　　據(jù)悉，M0內(nèi)核處于ARM核心產(chǎn)品堆棧的基礎(chǔ)層級。得益于極簡的設(shè)計(jì)，這款廣為流行的微控制器的芯片面積很小，很適合對功耗有較高要求的簡單任務(wù)。

　　換言之，我們不會很快的新一代大型設(shè)備上見到非硅芯片的身影，但許多依賴M0內(nèi)核來執(zhí)行基本控制任何的集成電子設(shè)備，將迎來這方面的較大變化。

　　至于PlasticARM項(xiàng)目，其旨在在柔性“塑料”介質(zhì)上重建M0核心，并且擁有兩項(xiàng)重要特征。

　　首先，非硅處理器/微控制器使得我們在包裝、服裝、醫(yī)用繃帶等方面實(shí)現(xiàn)一定程度的可編程性。

　　比如與粒子傳感器配合使用，以確定包裝內(nèi)的食物是否發(fā)生了腐敗或污染，而不再適合人類食用。

　　其次，與等效的硅芯片設(shè)計(jì)相比，大規(guī)模柔性微控制器的處理成本，較前者低了好幾個(gè)數(shù)量級。

　　值得一提的是，報(bào)道稱新M0設(shè)計(jì)、較當(dāng)前前沿的“塑料”計(jì)算設(shè)計(jì)要強(qiáng)12倍。

　　ARM在新聞稿中稱，Plastic M0設(shè)計(jì)具有128字節(jié)的RAM+456字節(jié)的ROM，同時(shí)還支持32位ARM微體系架構(gòu)。

　　此外由發(fā)表于《自然》雜志上的研究論文可知，該處理器由“聚酰亞胺”基板構(gòu)成，輔以薄膜金屬氧化物晶體管(例如IGZO TFT)工藝。

　　其在基礎(chǔ)上仍屬于光刻工藝，需運(yùn)用旋涂和光刻膠技術(shù)，最終成品擁有13個(gè)材料層和4個(gè)可布線的金屬層。

　　不過自IGZO顯示技術(shù)投入運(yùn)用以來，TFT設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)普及，生產(chǎn)成本也做到了相當(dāng)?shù)土?br />

　　該內(nèi)核支持ARMv6-M架構(gòu)，具有16位Thumb ISA和32位Thumb子集。與常規(guī)版本的M0一樣，其數(shù)據(jù)和地址位寬均為32-bit，輔以2級有序設(shè)計(jì)流水線、且支持86條指令。

　　與硅基M0內(nèi)核的主要區(qū)別，在于“塑料”M0設(shè)計(jì)并未將寄存器放在CPU內(nèi)部、而是映射到了128 字節(jié)的DRAM上，因?yàn)楹笳吣軌蚋玫刂С諸FT設(shè)計(jì)。

　　除此之外，Plastic M0內(nèi)核還是與所有其它Cortex M0內(nèi)核實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制兼容。芯片大小上，使用臺積電90nm硅工藝的Cortex M0芯片的典型尺寸為0.04mm2。

　　而使用等效800nmTFT 工藝的PlasticARM的核心，則是59.2mm2(7.536 毫米×7.856毫米)。

　　綜上所述，Plastic M0內(nèi)核的大小，約為標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)芯片的1500倍。另一個(gè)較大的區(qū)別，就是其在3V輸入下的頻率約為20~29kHz 。

　　此外由ARM設(shè)計(jì)文檔可知，針對功率(而非頻率)進(jìn)行優(yōu)化的180nm超低泄露工藝，可讓M0在50 MHz的頻率下運(yùn)行(差異在1600~ 2500倍)。

　　ARM指出，Plastic M0設(shè)計(jì)擁有56340個(gè)器件，結(jié)合了39157個(gè)薄膜n型晶體管+17183個(gè)電阻器。

　　此設(shè)計(jì)的目標(biāo)是不添加任何物理電阻，通過在TFT層級使用更高電阻的光刻材料，以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸。

　　總體而言，該論文預(yù)測了18334個(gè)NAND2門的等效硅設(shè)計(jì)。Plastic M0內(nèi)核在29 kHz頻率下的總功率為21 mW，其中99%為靜態(tài)功率(45%內(nèi)核/33%內(nèi)存/ 22%IO)。

　　(原標(biāo)題：非硅基PlasticARM芯片設(shè)計(jì)可充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的潛力)

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