Arm выпустила гибкий пластиковый микропроцессор, аналог Cortex-M0
Архитектура и функции SoC PlasticARM, включая внутреннюю структуру, процессор и системную периферию. Из научной статьи
Компания Arm совместно с PragmatIC разработала полнофункциональную пластиковую версию одного из своих популярных микроконтроллеров Cortex-M0. «Пластиковый» дизайн включает 128 байт RAM и 456 байт ROM, с поддержкой 32-битной микроархитектуры Arm, с тонкоплёночными транзисторами (IGZO TFT) на полиамидной подложке.
Ядро M0 с минималистской конструкцией находится в самом низу линейки продуктов Arm, но это популярный выбор для простых микроконтроллеров благодаря малой площади и низким требованиям к энергопотреблению.
Однако Arm напоминает, что первый в мире коммерчески доступный кремниевый процессор Intel 4004 тоже был весьма скромным 4-битным CPU с 2300 транзисторами, изготовленный по технологии 10 мкм на кремнии и способный только на простые арифметические вычисления. С того момента индустрия непрерывно развивалась со всё возрастающей сложностью. У современных кремниевых 64-битных микропроцессоров более 30 миллиардов транзисторов. Микропроцессор настолько прочно вошёл в нашу культуру, что стал мета-изобретением (термин Чарльза Мюррея), то есть инструментом, позволяющим реализовать другие изобретения. Например, современные CPU позволили провести дата-майнинг, необходимый для разработки вакцины COVID-19 в рекордно короткие сроки, пишут авторы во вступлении к научной работе.
В общем, разработчики рассматривают PlasticARM как новую страницу в истории микроэлектроники — эпохальное открытие, сравнимое с Intel 4004.
Микропроцессор разработан с использованием технологии тонкоплёночных транзисторов (IGZO TFT) на гибкой подложке. Гибкая электроника легко интегрируется в повседневные объекты благодаря ультратонкому форм-фактору, чрезвычайно низкой стоимости и возможности массового производства.
Разработчики считают PlasticARM пионером для будущих миллиардов недорогих, ультратонких микропроцессоров, встроенных в повседневные предметы окружающего мира — упаковку, одежду, медицинские повязки и др. Например, с датчиком частиц товарная упаковка может определять состояние продукта внутри: пригоден он для пищи или испортился.
Сейчас многие встроенные электронные устройства используют ядро M0 для фундаментальных задач управления.
Гибкая электроника — не новое изобретение, однако дизайн M0, как сообщается, в 12 раз мощнее, чем самые продвинутые современные пластиковые вычислительные конструкции.
В научной статье сказано, что процессор включает 13 слоёв материала, в том числе 4 металлических слоя. Ядро поддерживает архитектуру ARMv6-M, с 16-битным набором инструкций Thumb ISA и подмножеством 32-битного набора. Как и в обычном M0, ширина данных и адреса составляет 32 бита, конструкция представляет двухступенчатый вычислительный конвейер, а ядро поддерживает 86 инструкций.
Основное отличие от кремниевого M0 заключается в том, что регистровый файл (модуль, содержащий реализацию регистров процессора) не находится внутри процессора, а отображается на 128-байтовый банк DRAM. Так проще при использовании TFT-транзисторов. Несмотря на это, ядро Plastic M0 бинарно совместимо со всеми другими ядрами Cortex M0.
Типичный размер кремниевого Cortex M0 по 90-нм техпроцессу TSMC, составляет 0,04 мм2, тогда как PlasticARM использует 800-нм TFT-техпроцесс, так что размер ядра составляет 59,2 мм2 (7,536×7,856 мм). Таким образом, ядро Plastic M0 примерно в 1500 раз больше стандартной реализации.
Другая большая разница в частоте — Plastic M0 работает на частоте около 20–29 кГц при входном напряжении 3 В, в то время как обычный M0 на 180-нм техпроцессе может работать на частоте 50 МГц. Это разница в 1600–2500 раз.
Энергопотребление ядра Plastic M0 при частоте 29 кГц составляет 21 мВт (45% приходится на ядро, 33% на память, 22% на I/O).
В пресс-релизе компания Arm утверждает, что одним из основных препятствий на пути к производству были технологические и производственные ограничения — проект начался в 2013 году, и даже прототип схемы был показан на Arm TechCon в 2015 году. Однако инженеры не могли решить ряд ключевых вопросов, в основном это касалось библиотечных элементов (cell libraries), а также технологического процесса и производства. В этом помогла компания компания PragmatIC. Как сообщается, первую партию PlasticARM произвели и проверили в октябре 2020 года.
Исследования Arm указывают на то, что производство библиотечных элементов — ключевой вопрос для дальнейших разработок. По мере усложнения микроконтроллеров и процессоров требуется все больше элементов (и разных типов). Таким образом, выход за рамки M0 требует исследования возможностей отдельных библиотек в конструкции TFT.
Помимо этого, для масштабирования необходимы библиотеки с низким энергопотреблением.
Предполагается, что в будущем пластиковые процессоры уменьшатся в размере, а печатать их можно будет на струйном принтере. PlasticARM с ядром M0 — первый шаг в этом направлении.
Научная статья с описанием микропроцессора опубликована 21 июля 2021 года в журнале Nature (doi: 10.1038/s41586–021–03625-w).
