ARM CPU：新芯片PlasticARM塑料M0詳細(xì)信息介紹

根據(jù)一份報告，這家英國公司目前幾乎支持所有移動處理器，它正在展望未來，在幾乎所有東西中都有一個微控制器。這包括柔性材料，例如一張紙或醫(yī)用繃帶。該公司在科學(xué)雜志《自然》上發(fā)表了一篇論文，解釋了它是如何用塑料制造芯片的。值得注意的是，這并不是我們第一次聽說柔性芯片。然而，ARM 表示，這一次它取得了堅實的進(jìn)步。例如，新設(shè)計的對數(shù)門至少比以前的芯片多 12 倍。

新芯片系列是 PlasticARM ，并使用 32 位 Cortex-MO CPU< 456 字節(jié) ROM 和 128 字節(jié) RAM。它看起來很簡單，但是，它證明了這個概念存在并且正在進(jìn)步。現(xiàn)在的PlasticARM 并不能運行任何東西。目前，它只能運行三個硬連線到其電路中的測試程序。但是，ARM 聲明它將允許其他人在未來版本中寫入新代碼。

Arm以處理器核心設(shè)計IP（知識產(chǎn)權(quán)）而聞名，其核心設(shè)計應(yīng)用于從物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)到服務(wù)器的各種設(shè)備。

Arm現(xiàn)在表明，它已幫助設(shè)計出了采用全新外觀尺寸的關(guān)鍵微控制器：該公司不是使用硅作為基底，而是幫助做出了采用塑料的處理器核心。這項技術(shù)已研究了近十年，但Arm一直在等制造方法來設(shè)計完全實用的核心。現(xiàn)在，這家公司已研制出采用有形媒介的實用芯片，研究論文發(fā)表在《自然》雜志上。

研制塑料CPU

“塑料”或柔性電子產(chǎn)品伴隨我們已有很長時間，通常涉及龐大而簡單的電子產(chǎn)品流程設(shè)計，從基本的8位加法器一直到屏幕。我們現(xiàn)在看到的有點不一樣——今天發(fā)布的重大新聞是，Arm與PragmatIC 合作，做出了Arm最受歡迎的微控制器之一M0的完全實用的非硅版本。

這個M0核心正好位于Arm核心產(chǎn)品堆棧的底部，然而這種極簡設(shè)計卻是硅處理器的一種流行設(shè)計，因為芯片面積小，功耗要求低，以便處理簡單的微控制器任務(wù)。因此，雖然它不會很快用在您的下一個重要設(shè)備上，但您擁有的許多集成電子設(shè)備可能已經(jīng)依賴M0核心來執(zhí)行基本的控制任務(wù)。

所謂的PlasticArm用柔性塑料媒介重新制作了M0核心。這在兩個方面很重要——首先，能夠用硅以外的材質(zhì)幫助做成處理器或微控制器，將讓包裝物、服飾和醫(yī)用繃帶等其他東西具有一定程度的可編程性。比如說，若與粒子傳感器配合使用，就可以允許食品包裝袋確定里面的東西何時因腐敗或污染而不再適合人類食用。第二個方面是成本，大規(guī)模的柔性處理遠(yuǎn)比同等的硅設(shè)計便宜得多。值得稱道的是，據(jù)報道，Arm新的M0設(shè)計其性能比目前最先進(jìn)的塑料芯片設(shè)計強大12倍。

塑料M0的詳細(xì)信息

Arm在新聞稿中表示，塑料M0（Plastic M0）設(shè)計有128字節(jié)的RAM和456字節(jié)的ROM，還支持32位Arm微架構(gòu)。

在發(fā)表于《自然》雜志上的研究論文中獲得了更詳細(xì)的信息，論文題目是《一種天生柔性的32位Arm微處理器》。

該處理器采用聚酰亞胺基板，通過薄膜金屬氧化物晶體管（比如IGZO TFT）做成。這意味著這從技術(shù)上來說仍然是光刻工藝，使用旋涂和光刻膠技術(shù)，最后做出來的處理器有13道材料層和4道可布線的金屬層。然而，由于自使用IGZO屏幕以來TFT設(shè)計已經(jīng)很普遍，因此生產(chǎn)成本仍很低。

核心支持ARMv6-M架構(gòu)，16位Thumb ISA與32位Thumb子集相結(jié)合。與傳統(tǒng)M0一樣，數(shù)據(jù)寬度和地址寬度均為32位，循序設(shè)計是2級流水線，核心支持x86指令。與硅M0核心的主要區(qū)別在于，寄存器文件不是在CPU內(nèi)部，而是映射到128字節(jié)的DRAM組。這是由于通過內(nèi)存映射技術(shù)可以更好地支持TFT設(shè)計。盡管如此，塑料M0核心仍與所有其他Cortex M0核心做到二進(jìn)制兼容。

就采用臺積電90nm工藝的硅Cortex M0而言，芯片尺寸通常是0.04 mm2，而PlasticArm使用對等的800nm TFT工藝，核心尺寸為59.2 mm2（7.536mm x 7.856mm）。這使得塑料M0核心的大小大約是標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)核心的1500倍。另一大區(qū)別是主頻——研究論文指出，塑料M0在3V輸入電壓下的主頻約20kHz至29kHz；在Arm自己的設(shè)計文檔中，采用針對功率而非頻率進(jìn)行優(yōu)化的180nm超低泄漏工藝的M0其主頻為50 MHz。主頻相差1600倍至2500 倍。

塑料M0設(shè)計使用56340器件，該器件結(jié)合了39157個薄膜n型晶體管和17183個電阻器。論文稱，由于這種設(shè)計的目的是沒有任何物理添加的電阻器，這么多層內(nèi)在TFT層面部署電阻器需要使用電阻更高的光刻材料，以實現(xiàn)尺寸更小。總體而言，論文預(yù)測了18334個NAND2門的同等硅設(shè)計。塑料M0核心在29 kHz下的總功耗為21 mW，其中99%是靜態(tài)功耗（45%用于核心、33%用于內(nèi)存、22%用于IO）。處理器上的28個引腳用于時鐘信號生成、復(fù)位、GPIO、電源和調(diào)試。

研究范圍

Arm在新聞稿中表示，生產(chǎn)芯片的主要障礙之一歸結(jié)為技術(shù)和制造方面的限制——該項目始于2013年，而早在2015年Arm TechCon上展示的原型電路就使用了環(huán)形振蕩器、計數(shù)器和移位寄存器陣列。然而，許多關(guān)鍵問題仍懸而未決，主要是現(xiàn)代處理器所有不同部件所用的單元庫（cell library），以及工具流程和生產(chǎn)。隨著時間的推移，Arm的合作伙伴PragmatIC通過它所開展的其他項目，得以構(gòu)建與M0處理器所需的部件相一致的一系列單元庫。據(jù)報道，首次的 PlasticArm的制造和驗證已于2020年10月進(jìn)行。

Arm的研究指出，單元庫的生產(chǎn)是未來發(fā)掘進(jìn)一步設(shè)計的關(guān)鍵。隨著微控制器和處理器變得越來越復(fù)雜，需要不同類型的更多元件以制造端到端的實用產(chǎn)品。因而，超越M0需要研究幫助做成采用TFT設(shè)計的單個庫。除此之外，研究論文還指出需要低功耗庫來實現(xiàn)規(guī)模化。由于塑料M0上的大部分功耗是靜態(tài)功耗，因此通過設(shè)計和制造來降低靜態(tài)功耗將是一個研究方向。還有制造這個環(huán)節(jié)——這完全是在采用使用沉積技術(shù)的200nm聚酰亞胺晶圓的光刻工藝完成的。塑料處理器的終極目的是尺寸不是很大的限制因素，它們可以使用傳統(tǒng)墨水技術(shù)來“刻印”。我們還沒有到達(dá)那一步，但無疑往這個方向邁出了一步。

責(zé)編：editorAlice