近日，英國芯片設計公司Arm設計出了一種采用全新外觀尺寸的微控制器。值得注意的是，Arm這一次沒有采用硅作為基底，而是采用了塑料的處理器核心。這項技術已經研究了近十年，如今Arm終于等到了能夠實現(xiàn)該設計的制造方法，并發(fā)布在“自然”雜志題為《一種天生柔性的32位Arm微處理器》的研究論文中。

據(jù)悉，這款全新發(fā)布的PlasticArm M0新型塑料芯片原型，可以直接在紙張、塑料或織物上打印電路。如此一來，只需要非常低廉的成本就可以更輕易的實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的世界。

塑料如何能成為芯片材料？

歷經幾十年的發(fā)展，處理器也實現(xiàn)了從大體積到微型化，從剛性到柔性的跨越式發(fā)展。微處理器是眾多電子設備的核心，包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦、路由器、服務器、汽車，以及最近構成物聯(lián)網的智能對象。

硅基芯片技術的普及，已經嵌入到了地球上的每一個“智能”設備中，但硅基芯片技術也面臨著一些難題，比如如何將其布置在諸如瓶子、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等日常物品上，讓它們也能實現(xiàn)智能化？采用傳統(tǒng)的硅基芯片技術在成本上帶來了極大的阻礙。此外，硅基芯片技術無法實現(xiàn)薄、柔韌等特性，在這些具有一定曲度或者柔軟度的物品身上難以實現(xiàn)高度貼合。

柔性電子材料的出現(xiàn)，為解決上述難題提供了新的思路。在《自然》雜志發(fā)表的這篇論文中提到，Arm與PragmatIC 合作，做出了Arm最受歡迎的微控制器之一M0的完全實用的非硅版本。

據(jù)介紹，Arm柔性芯片的微處理器PlasticARM M0是采用柔性電子制造技術制造的，設計有128字節(jié)的RAM和456字節(jié)的ROM，還支持32位Arm微架構。Arm在不到60平方毫米的芯片上集成了56340個組件，這個數(shù)量比目前最先進的塑料芯片設計強大12倍，計算性能大幅提高。

該處理器采用聚酰亞胺基板，通過薄膜金屬氧化物晶體管（比如IGZO TFT）做成。這意味著這從技術上來說仍然是光刻工藝，使用旋涂和光刻膠技術，最后做出來的處理器有13道材料層和4道可布線的金屬層。然而，由于自使用IGZO屏幕以來TFT設計已經很普遍，因此生產成本仍很低。

PlasticArmM0設計使用56340器件，該器件結合了39157個薄膜n型晶體管和17183個電阻器。論文稱，由于這種設計的目的是沒有任何物理添加的電阻器，這么多層內在TFT層面部署電阻器需要使用電阻更高的光刻材料，以實現(xiàn)尺寸更小?？傮w而言，論文預測了18334個NAND2門的同等硅設計。PlasticArmM0核心在29 kHz下的總功耗為21 mW，其中99％是靜態(tài)功耗（45％用于核心、33％用于內存、22％用于IO）。處理器上的28個引腳用于時鐘信號生成、復位、GPIO、電源和調試。

PlasticArm M0的芯片架構如下圖：

其核心支持ARMv6－M架構，16位Thumb ISA與32位Thumb子集相結合。相比于采用臺積電90nm工藝的硅Cortex M0而言，PlasticArm M0與傳統(tǒng)Cortex M0一樣，數(shù)據(jù)寬度和地址寬度均為32位，循序設計是2級流水線，核心支持x86指令。但重點區(qū)別在于，PlasticArm M0寄存器文件不是在CPU內部，而是映射到128字節(jié)的DRAM組；此外，PlasticArm M0使用對等的800nm TFT工藝，核心尺寸為59.2 mm2（7.536mm x 7.856mm）。這使得塑料M0核心的大小大約是標準物聯(lián)網核心的1500倍。另一大區(qū)別是主頻——研究論文指出，塑料M0在3V輸入電壓下的主頻約20kHz至29kHz；在Arm自己的設計文檔中，采用針對功率而非頻率進行優(yōu)化的180nm超低泄漏工藝的M0其主頻為50 MHz。主頻相差1600倍至2500 倍。

顯然，PlasticArm M0或許不是最快或最高效的，但卻是最具柔性的，由于塑料芯片既柔軟又便宜的特性，它幾乎可以被印在任何地方。比如PlasticArm M0使用的金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）不同于使用脆弱硅基板的處理器，即使是打印在具有一定曲度的表面上也不會降解，在塑料和紙張等材料上廉價打印處理器的可能性得到了提高。

短期內無法取代硅基處理器

當然，基于塑料的芯片也有一定缺陷，它們在能源消耗、密度和性能方面效率太低。比如PlasticArm M0消耗21毫瓦的電力，但其中99％都被浪費了，只有1％被用于計算。該芯片的面積也比較大，為59.2平方毫米，這大約是基于硅的Cortex M0處理器的1500倍大小。芯片面積大還有可能造成的另外一個問題是，處理器不論是在靜態(tài)還是動態(tài)下都會產生熱量，通常來說，靜態(tài)功耗隨著芯片制程工藝的提升，晶圓上的漏電流相應也在增加；而動態(tài)功耗主要在晶體管開關的瞬間產生，會隨著晶體管數(shù)量和開關頻率（計算頻率）顯著提升。而對于PlasticArm M0這么一款采用塑料材料打造的芯片來說，芯片工作過熱時也有可能出現(xiàn)內部有器件短路導致芯片供電電流增大等情況。

不過，這一點研究團隊的成員也考慮到了，Arm研究工程師詹姆斯·邁爾斯表示，PlasticArm M0的速度不會很快，也不屬于節(jié)能芯片，但可以考慮將其放在生菜上進行保質期跟蹤；同時我們還在尋找其他用途，比如智能包裝，充當氣體傳感器以便于告訴人們這個東西是否安全，還能不能吃；亦或是將其用在可穿戴健康貼片上，這些都是科研團隊目前正在考慮的方向。

柔性電子技術大有可為

實際上，不論是柔性芯片，還是現(xiàn)在經常能見到的柔性屏幕、柔性電極，都是柔性電子技術的一種。只要是信息技術所涉及的傳感、信息傳輸、信息處理、能源存儲等多種環(huán)節(jié)都有望實現(xiàn)柔性化。

（資料源自東北證券整理）

柔性電子技術的概念最早可以追溯到，上世紀60年代。當時科研人員試圖用有機半導體替代硅等無機半導體，從而使有機電子器件具備柔性特點。發(fā)展至今，柔性電子技術仍處于起步階段，研發(fā)人員很多時候也是在不斷嘗試，試圖突破傳統(tǒng)思路，創(chuàng)造新的領域和產業(yè)。

全球各國投入大量科研經費致力于柔性先進性技術工藝及材料的研發(fā)，大家側重的方向也略有不同。比如韓國集中力量在柔性顯示和柔性存儲領域；日本專注于卷對卷生產工藝及材料研發(fā)；英國于2019年與印度聯(lián)合研發(fā)自修復的柔性電子技術；美國開發(fā)了世界第一個柔性觸摸顯示器、利用石墨烯傳感器探索大腦神經活動；我國重點規(guī)劃柔性電子材料在制造工藝、功能材料等方面研究等等。

在OFweek電子工程網看來，目前在國內大家所關注到柔性電子材料更多的可能是在折疊手機、曲面屏等偏向于消費電子產品的場景中。但這些都只是柔性電子技術的“冰山一角”，未來在生物醫(yī)療領域或許更能凸顯其價值。比如電子皮膚、坐骨神經電信號采集、類皮膚柔性變形傳感器、碳納米纖維泡沫柔性壓力傳感器、類皮膚柔性壓力傳感器等系列柔性醫(yī)療電子產品的推出，幫助醫(yī)生在診斷或治療病患的過程中帶來了巨大助力。

從國內的應用狀況來看，一些研發(fā)團隊和企業(yè)研制出的柔性電子產品已獲得行業(yè)監(jiān)管部門認證。例如，清華大學柔性電子技術團隊已設計和大規(guī)模制備出價格低廉、且能夠監(jiān)測人體體溫和心電信息的柔性電子器件，讓使用者較為便捷、及時的了解各項身體信息數(shù)據(jù)，從而提早做好疾病的防控工作。

除了常規(guī)的醫(yī)療診治以外，柔性電子技術在遠程醫(yī)療、康復保健等方面也能起到很大的作用。對于一些行動不便的病患來說，借助柔性電子技術和物聯(lián)網技術加持的智能手環(huán)、智能可穿戴服飾等設備，不親自到醫(yī)院也可以給醫(yī)生提供病癥信息，為醫(yī)生遠程了解病人的病情、及時發(fā)現(xiàn)病變因素等提供新的渠道。

參考資料：“自然”雜志論文《一種天生柔性的32位Arm微處理器》、云頭條、機器之心、騰訊科技等