非硅基PlasticARM芯片设计可充分发挥物联网的潜力

研究配图 - 1：PlasticARM 架构与特性

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、业内最受欢迎的微控制器之一（M0）的全功能非硅版本。

研究配图 - 2：测试流程

据悉，M0 内核处于 ARM 核心产品堆栈的最基础层级。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。

研究配图 - 3：标准单元架构的演变

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、较当前最先进的“塑料”计算设计要强 12 倍。

研究配图 - 4：缓冲区布局与传输特性

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。

研究配图 - 5：PlasticARM 的 RTL 模拟

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 0.04 mm2。

而使用等效 800nm TFT 工艺的 PlasticARM 的核心，则是 59.2 mm2（7.536 毫米 × 7.856 毫米）。

研究配图 - 6：PlasticARM 芯片的三项仿真测量

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 ~ 29 kHz 。

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。

Cortex-M 产品线（来自：ARM官网，viaAnandTech）

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）。

处理器上的 28 个引脚，允许时钟信号生成、复位、GPIO、供电、以及调试。感兴趣的朋友，可移步至《Nature》查看《A natively flexible 32-bit Arm microprocessor》全文。