在塑膠上製造晶片，每片成本不到台幣3毛錢

想像一下，你周圍的物體到處充滿了智慧，一條繃帶、一個瓶子等都具有智慧。目前來看，這種場景只能出現在科幻電影里。你可能會奇怪，科技飛速發展的今天，為何這一切還沒有實現，這是因為人類還沒有製造出價格便宜的處理器。全球物聯網設備的數量每年以數十億的速度增長。看起來這是一個巨大的數字，但實際上這個領域的潛力要大得多，而且相當昂貴的矽晶片正在阻礙它。解決方案可能是引入便宜很多倍的塑膠晶片。

之前有研究機構進行了各種嘗試，像是 2021 年 Arm 推出 PlasticArm M0 新型塑膠晶片原型，可以直接在紙張、塑膠或織物上列印電路，該晶片沒有採用矽作為基底，而是採用塑膠處理器核心，這是 Arm 研究了近十年的項目，但即使這樣 Arm 的研究也無法達到標准。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和英國晶片廠商 PragmatIC Semiconductor 的工程師們認為，問題在於，即使是最簡單的工業標準微控制器也太過複雜，無法在塑膠上大規模生產。

在本月舉行的電腦架構國際研討會（International Symposium on Computer Architecture）上，來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究小組展示了一種簡單但功能齊全的塑膠處理器，這種處理器可以以低於1美分（sub-penny）的價格製造。該團隊設計了4位元和8位元處理器。不過這項研究更多細節尚未公開。

團隊負責拉克許‧庫馬人（Rakesh Kumar）表示，「在4位元處理器中大約有 81% 可以工作，這足夠突破 1 美分的門檻。」

▲ Rakesh Kumar（拉克許‧庫馬）庫馬表示，柔性電子產品已經細分市場幾十年了，該團隊製造的處理器是使用柔性薄膜半導體銦鎵鋅氧化物 (IGZO) 製成的，這種薄膜半導體可以建立在塑膠上，即使在幾毫米半徑範圍內彎曲也能繼續工作。但是，雖然可靠的製造工藝是先決條件，但真正與眾不同的是設計。

為什麼不是矽？

你可能會問，為什麼矽處理器不能做的超級便宜又兼具靈活運算性能？庫馬經過分析認為這不可能實現。與塑膠相比，矽既昂貴又不靈活，如果你把塑膠晶片做得足夠小，其在彎曲範圍內也能繼續工作。導致矽失敗的原因有兩個：一個是雖然電路的面積可以做得非常小，但你仍然需要在晶片邊緣留出相對較大的空間，以便從晶圓中切出晶片。對於一般的微控制器，晶片邊緣的空間比包含電路的區域要多。更重要的是，你還需要更多空間來安裝足夠的 I/O 焊盤（I/O pad），以便資料和電源可以進入晶片。這樣一來，就會有空白矽片被浪費。

庫馬團隊沒有將現有的微控制器架構改編為塑膠，而是從頭開始創建一種名為 Flexicore 的設計。由於廢品率隨著邏輯元件的數量而增加。瞭解到這一點，他們想出了另一種設計，目的是最大限度地減少所需的邏輯閘數量。他們使用 4位元和 8位元邏輯而不是16位元或32位元邏輯。就像將儲存指令的記憶體與儲存數據的記憶體分開一樣。但這樣伴隨而來的減少了處理器能夠執行指令的數量和複雜性。

該團隊進一步簡化了處理器的設計，將處理器設計為在單個時鐘週期內執行指令，而不是當今 CPU 的 multistep pipeline 形式。然後他們透過重用部件來實現這些指令的邏輯，這進一步減少了邏輯閘數量。「總的來說，我們能夠根據靈活應用程式的需求對其進行定製來簡化 FlexiCores 的設計，這些應用程式往往在計算上很簡單，」庫馬 的學生 Nathaniel Bleier 表示。

透過以上設計，該團隊實現了一個具有 5.6 mm^2 的 4 位 FlexiCore 晶片 ，僅由 2104 個半導體器件組成（大約與 1971 年經典 Intel 4004 中的電晶體數量相同），而去年 Arm 團隊開發出的軟性微處理器 PlasticARM 則由大約 56340 個器件組成。「就邏輯閘數而言，FlexiCore 比最小的矽微控制器少一個數量級，」Nathaniel Bleier 表示。

▲ 工程師使用 PragmatIC 的製造工藝在塑膠上製造 4 位元微控制器。FlexiCore 還具有優化的板載記憶體和指令集，可最大限度地減少電晶體數量並降低複雜性。研究人員還設計了邏輯元件，使他們可以使用最少的電晶體。畢竟，處理器被設計為在一個時鐘週期內執行一條指令。

此外該團隊還開發了8位元版本的 FlexiCore，但效果不佳。

「這正是支援真正無處不在的電子產品所需的設計創新，」 PragmatIC Semiconductor 首席執行長史考特‧懷特（Scott White）表示。

借助 PragmatIC 技術，該團隊生產了具有4位元和8位元處理器的塑膠塗層晶圓，並在多個程式中以不同電壓對它們進行測試，並毫不留情地進行彎曲。這個實驗看起來很基礎，但根據庫馬 的說法，它是開創性的。大多數使用非矽技術構建的處理器產量都很差，以至於只能從一個或最多幾個可工作的晶片中報告結果。「據瞭解，這是首次可以報告來自多個晶片的非矽技術的數據，」庫馬表示。

▲ PragmatIC 一直致力於低成本晶片

庫馬 觀察到，晶片行業的目標是兼顧功率和性能指標，以及某種程度的可靠性。他們並沒有將重點放在成本、一致性和晶片薄度上。而是將重點放在構建新的運算機架構並瞄準新的應用程式上。

美國西北大學的柔性電子先驅 John A. Rogers 稱這項工作令人印象深刻，並期待這項研究的後續發展。

當然，這只是迄今為止這項研究的工作，在 FlexiCore 解決方案或類似解決方案上市之前還有很多工作要做。然而，研究人員已經嘗試針對不同的流程和目標工作負載優化他們的解決方案，並取得了一些成功。還有關於彎曲如何影響性能以及塑膠晶片的耐用性的問題。

然而，隨著如此便宜的塑膠處理器和柔性電子產品成為主流，我們很快就會看到真正無處不在的電子產品的曙光。這種晶片可以放置在幾乎任何產品的包裝上或醫療貼片上，應用領域不在受限制。