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用塑料造芯，全球首款原生32位Arm微处理器问世
近日，《自然》杂志刊登的一篇文章显示，由Arm公司领衔开发出了一种32位Arm微处理器，该处理器基于柔性基板（PlasticARM），采用金属氧化物薄膜晶体管技术开发。
与传统半导体器件不同，柔性电子器件构建在纸张、塑料或金属箔等基板上，并使用有机物或金属氧化物或非晶硅等有源薄膜半导体材料，与晶体硅相比，它们具有许多优势，包括薄度、一致性和低制造成本。薄膜晶体管 (TFT) 可以在柔性基板上制造，其加工成本比在晶体硅晶片上制造的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 低得多。
微处理器是每个电子设备的核心，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、路由器、服务器、汽车，以及物联网，尽管传统的硅技术已将至少一个微处理器嵌入到地球上的每一个“智能”设备中，但它面临着使日常用品变得更智能的关键挑战，例如瓶子、食品包装、服装、可穿戴贴片、绷带等等。成本是阻碍传统硅技术在这些日常用品中可行的最重要因素，尽管硅制造的规模经济有助于显着降低单位成本，但微处理器的单位成本仍然高得令人望而却步，此外，硅芯片并不是天生的薄、柔韧和贴合。另一方面，柔性电子产品却可以提供这些理想性能。在过去的20年中，柔性电子产品已经发展到提供成熟的低成本、薄型、柔性和适应性强的设备，包括传感器、存储器、电池、发光二极管、能量收集器、近场通信/射频识别和印刷电路比如天线，这些是构建任何智能集成电子设备的基本电子元件。然而缺少的部分是灵活的微处理器，尚不存在可行的柔性微处理器的主要原因是，需要在柔性基板上集成相对大量的TFT以执行任何有意义的计算，这在新兴的灵活TFT技术中是不可能实现的，在大规模集成之前，需要一定程度的技术成熟度。一种中间方法是将硅基微处理器芯片集成到柔性基板上，也称为混合集成，其中硅片被减薄并且来自硅片的管芯被集成到柔性衬底上。虽然薄硅芯片集成提供了一个短期的解决方案，但这种方法仍然依赖于传统的高成本制造工艺。因此，它并不是一个可行的长期解决方案，无法在未来十年甚至更长时间内生产出数十亿个日常智能物体。该团队的方法是使用灵活的电子制造技术开发微处理器，也称为本机灵活的处理引擎，用来构建此处描述的原生柔性微处理器的柔性电子技术由聚酰亚胺基板上的金属氧化物TFT组成。金属氧化物TFT成本低，也可以缩小到大规模集成所需的较小几何形状。
PlasticARM微处理器有助于未来实现万物互联
该处理器是一个SoC，包含一个32位Arm Cortex-M CPU 和一个嵌套向量中断控制器 (NVIC)，并通过互连结构 (AHB-LITE) 连接到内存，外部总线接口提供通用输入输出 (GPIO) 接口以与测试框架进行片外通信。ROM包含456字节的系统代码和测试程序，并已实现为组合逻辑，128字节的RAM已实现为基于锁存器的寄存器文件，主要用作堆栈。图1b显示了PlasticARM中使用Cortex-M和Arm Cortex-M0+ 的比较。尽管PlasticARM中的Cortex-M处理器不是标准产品，但它实现了支持16位Thumb和32位Thumb指令集架构子集的Armv6-M架构，因此它与所有Cortex- M 类处理器，包括 Cortex-M0+，属于同一架构系列。PlasticARM中的Cortex-M和Cortex-M0+之间的关键区别在于，我们将SoC中RAM的特定部分分配给CPU寄存器（约64字节），并将它们从CPU移到PlasticARM中Cortex-M中的RAM，而在Cortex-M0+中，寄存器保留在其CPU 中，通过从CPU中消除寄存器并使用现有的RAM作为寄存器空间，实现了CPU面积的大幅减少（约3倍）。这款32位微处理器PlasticARM，采用0.8微米金属氧化物TFT技术制造。由于它与Armv6-M架构中的Arm Cortex-M类处理器兼容，它可以搭载现有的软件/工具支持（例如编译器），因此无需开发软件工具链。它是迄今为止使用金属氧化物TFT构建的最复杂的柔性集成电路，包括超过18,000个门，至少比以前最好的集成电路高12倍。PlasticARM将率先开发低成本、完全灵活的智能集成系统，以实现“万物互联”，包括在未来十年内将超过一万亿个无生命物体集成到数字世界中，拥有一个超薄的、舒适的、低成本的、天生灵活的微处理器来处理日常用品，将会带来各种各样的研究和商业机会。
