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，via AnandTech）

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。