近日，英国芯片设计公司Arm设计出了一种采用全新外观尺寸的微控制器，值得注意的是，Arm这一次没有采用硅作为基底，而是采用了塑料的处理器核心。这项技术已经研究了近十年，如今Arm终于等到了能够实现该设计的制造方法，并发布在“自然”杂志题为《一种天生柔性的32位Arm微处理器》的研究论文中。
据悉，这款全新发布的PlasticArm M0新型塑料芯片原型，可以直接在纸张、塑料或织物上打印电路。如此一来，只需要非常低廉的成本就可以更轻易的实现“万物互联”的世界。
塑料如何能成为芯片材料？
历经几十年的发展，处理器也实现了从大体积到微型化，从刚性到柔性的跨越式发展。微处理器是众多电子设备的核心，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、路由器、服务器、汽车，以及最近构成物联网的智能对象。
硅基芯片技术的普及，已经嵌入到了地球上的每一个“智能”设备中，但硅基芯片技术也面临着一些难题，比如如何将其布置在诸如瓶子、食品包装、服装、可穿戴贴片、绷带等日常物品上，让它们也能实现智能化？采用传统的硅基芯片技术在成本上带来了极大的阻碍。此外，硅基芯片技术无法实现薄、柔韧等特性，在这些具有一定曲度或者柔软度的物品身上难以实现高度贴合。
柔性电子材料的出现，为解决上述难题提供了新的思路。在《自然》杂志发表的这篇论文中提到，Arm与PragmatIC 合作，做出了Arm最受欢迎的微控制器之一M0的完全实用的非硅版本。
据介绍，Arm柔性芯片的微处理器PlasticARM M0是采用柔性电子制造技术制造的，设计有128字节的RAM和456字节的ROM，还支持32位Arm微架构。Arm在不到60平方毫米的芯片上集成了56340个组件，这个数量比目前最先进的塑料芯片设计强大12倍，计算性能大幅提高。
该处理器采用聚酰亚胺基板，通过薄膜金属氧化物晶体管（比如IGZO TFT）做成。这意味着这从技术上来说仍然是光刻工艺，使用旋涂和光刻胶技术，最后做出来的处理器有13道材料层和4道可布线的金属层。然而，由于自使用IGZO屏幕以来TFT设计已经很普遍，因此生产成本仍很低。
PlasticArmM0设计使用56340器件，该器件结合了39157个薄膜n型晶体管和17183个电阻器。论文称，由于这种设计的目的是没有任何物理添加的电阻器，这么多层内在TFT层面部署电阻器需要使用电阻更高的光刻材料，以实现尺寸更小。总体而言，论文预测了18334个NAND2门的同等硅设计。PlasticArmM0核心在29 kHz下的总功耗为21 mW，其中99％是静态功耗（45％用于核心、33％用于内存、22％用于IO）。处理器上的28个引脚用于时钟信号生成、复位、GPIO、电源和调试。
PlasticArm M0的芯片架构如下图：
其核心支持ARMv6－M架构，16位Thumb ISA与32位Thumb子集相结合。相比于采用台积电90nm工艺的硅Cortex M0而言，PlasticArm M0与传统Cortex M0一样，数据宽度和地址宽度均为32位，循序设计是2级流水线，核心支持x86指令。但重点区别在于，PlasticArm M0寄存器文件不是在CPU内部，而是映射到128字节的DRAM组；此外，PlasticArm M0使用对等的800nm TFT工艺，核心尺寸为59．2 mm2（7．536mm x 7．856mm）。这使得塑料M0核心的大小大约是标准物联网核心的1500倍。另一大区别是主频——研究论文指出，塑料M0在3V输入电压下的主频约20kHz至29kHz；在Arm自己的设计文档中，采用针对功率而非频率进行优化的180nm超低泄漏工艺的M0其主频为50 MHz。主频相差1600倍至2500 倍。
显然，PlasticArm M0或许不是最快或最高效的，但却是最具柔性的，由于塑料芯片既柔软又便宜的特性，它几乎可以被印在任何地方。比如PlasticArm M0使用的金属氧化物薄膜晶体管（TFT）不同于使用脆弱硅基板的处理器，即使是打印在具有一定曲度的表面上也不会降解，在塑料和纸张等材料上廉价打印处理器的可能性得到了提高。
