30-40 лет назад, когда персональные компьютеры были ещё в новинку, а интернета как такового не было, пионеры вычислительной технологии предсказывали, что в будущем электронные чипы станут настолько дешёвыми, что они будут повсюду — в домах, в транспорте, даже в человеческом теле. Для того времени эта идея казалась фантастической, даже абсурдной. ПК тогда были очень дороги и в большинстве своём даже не подключались к интернету. Мысль о том, что миллиарды крохотных чипов когда-нибудь станут дешевле семечек, казалось нелепой.
Десятилетиями технари обещают мир, где абсолютно каждый объект, с которым мы будем сталкиваться — мебель, посуда, одежда — будет обладать «умом» благодаря сверхдешёвым программируемым процессорам. Если вам интересно, почему этого до сих пор не произошло, то это потому, что никто не построил работающие процессоры, которые можно было бы производить миллиардами стоимостью в 1 цент каждый.
Со временем абсолютно всё вокруг нас станет «умным». Производители, не сделавшие свою продукцию «умной», в какой-то момент будут вытеснены с рынка конкурентами, которые успели это сделать. Одним из путей добиться таких дешёвых микропроцессоров, являются микрочипы из пластика.
Почти 50 лет назад Intel создала первый в мире серийно выпускаемый микропроцессор — 4004, скромный 4-битный ЦП с 2300 транзисторами, изготовленными по технологии 10 мкм из кремния и способным выполнять только простые арифметические операции. С момента этого новаторского достижения происходило непрерывное технологическое развитие с возрастающей сложностью до такой степени, что современные кремниевые 64-разрядные микропроцессоры теперь имеют 30 миллиардов транзисторов (например, микропроцессор AWS Graviton2, изготовленный по техпроцессу 7 нм). Микропроцессоры настолько укоренились в нашей жизни, что стали метаизобретением, то есть инструментом, позволяющим реализовать другие изобретения.
Микропроцессоры лежат в основе каждого электронного устройства, включая смартфоны, планшеты, ноутбуки, маршрутизаторы, серверы, автомобили и, в последнее время, интеллектуальные объекты, составляющие Интернет вещей. Хотя традиционная кремниевая технология включает в себя как минимум один микропроцессор, встроенный в каждое «умное» устройство на Земле, она сталкивается с ключевыми проблемами, чтобы сделать повседневные предметы умнее. Стоимость является наиболее важным фактором, препятствующим применению традиционной кремниевой технологии в этих повседневных предметах. Хотя экономия за счёт масштаба производства кремния помогла резко снизить себестоимость единицы продукции, себестоимость единицы микропроцессора по-прежнему непомерно высока. Кроме того, кремниевые чипы не являются естественно тонкими и гибкими, что является очень желательными характеристиками для встроенной электроники в эти предметы повседневного обихода.
С другой стороны, гибкая электроника предлагает эти желательные характеристики. За последние два десятилетия эта технология продвинулась вперед, предлагая недорогие, тонкие, гибкие и удобные устройства, включая датчики, память, батареи, светоизлучающие диоды, сборщики энергии и печатные схемы. Это основные компоненты для создания любого интеллектуального интегрированного электронного устройства. Недостающим элементом является гибкий микропроцессор. Основная причина, по которой до сих пор не существует жизнеспособного гибкого микропроцессора, заключается в том, что относительно большое количество тонкоплёночных транзисторов (TFT) необходимо интегрировать на гибкой подложке для выполнения каких-либо значимых вычислений.
Микропроцессор PlasticARM
Например, в 2021 году компания Arm воспроизвела свой простейший 32-битный микроконтроллер M0 из пластика, но даже это не могло соответствовать требованиям. Проблема, по мнению инженеров Иллинойсского университета Урбана-Шампейн и британского производителя гибкой электроники PragmatIC Semiconductor, заключается в том, что даже самые простые микроконтроллеры промышленного стандарта слишком сложны, чтобы изготавливать их из пластика массово.
В отличие от обычных полупроводниковых устройств, гибкие электронные устройства строятся на подложках, таких как бумага, пластик или металлическая фольга, и используют активные тонкоплёночные полупроводниковые материалы, такие как органические соединения, оксиды металлов или аморфный кремний. Они предлагают ряд преимуществ по сравнению с кристаллическим кремнием, включая низкие производственные затраты. Тонкоплёночные транзисторы (TFT) могут быть изготовлены на гибких подложках при гораздо меньших затратах на обработку, чем полевые транзисторы «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET), изготовленные на кристаллических кремниевых пластинах. Цель технологии TFT не в том, чтобы заменить кремний. Поскольку обе технологии продолжают развиваться, вполне вероятно, что кремний сохранит преимущества с точки зрения производительности, плотности и энергоэффективности. А TFT позволят создавать электронные продукты с новыми форм-факторами и стоимостью, недостижимой для кремния, тем самым значительно расширяя диапазон потенциальных приложений.
Микропроцессоры с разрядностью 8-бит и 4-бит соответственно
Промежуточный подход заключается в интеграции микропроцессорных кристаллов на основе кремния в гибкие подложки, что также называется гибридной интеграцией, когда кремниевая пластина утончается, а кристаллы из пластины интегрируются в гибкую подложку. Хотя интеграция тонкого кремниевого кристалла предлагает краткосрочное решение, этот подход по-прежнему опирается на традиционные дорогостоящие производственные процессы. Следовательно, это не жизнеспособное долгосрочное решение, позволяющее производить миллиарды повседневных смарт-объектов, которые ожидаются в следующем десятилетии и далее.
В исследовании, которое будет представлено на Международном симпозиуме по компьютерной архитектуре ISCA 2022, трансатлантическая команда представляет простой, но полнофункциональный пластиковый процессор, который можно изготовить по цене менее 1 цента. Команда из Университета Иллинойса разработала 4-битные и 8-битные процессоры специально для того, чтобы минимизировать размер и максимизировать процент производимых рабочих интегральных схем. Чип 4-битной версии сработал, выдав 81 % производительности, и этого достаточно, чтобы преодолеть барьер в 1 цент.
Испытательная установка для пластикового микрочипа
Архитектура 4-битного пластикового микрочипа
Пластиковые процессоры были изготовлены с использованием гибкого тонкоплёночного полупроводника, оксида индия, галлия и цинка (IGZO), который может быть построен из пластика и способного работать даже при изгибе вокруг миллиметрового радиуса. Но в то время, когда надёжный производственный процесс является обязательным условием, именно дизайн возымел большее значение.
Вместо того, чтобы адаптировать существующую архитектуру микроконтроллера для пластика, команда Иллинойса начала с нуля создавать конструкцию под названием Flexicore. Производительность падает очень быстро, если увеличивать количество проводящих каналов. Зная это, команда разработала конструкцию, способную свести к минимуму количество необходимых каналов. Помогло использование 4-битной и 8-битной логики вместо 16-битной или 32-битной. Как и разделение памяти, в которой хранятся инструкции, от памяти, в которой хранятся данные. Но команда также сократила количество и сложность инструкций, которые процессор способен выполнять.
Сравнение кремния и IGZO на примере дисплея телевизора
Почему не кремний?
Вам может быть интересно, почему кремниевые процессоры не могут выполнять работу сверхдешёвых гибких вычислений. По сравнению с пластиком кремний дорог и негибок, но если сделать чип достаточно маленьким, пластик мог бы и не понадобиться. Тем не менее, кремний не справляется с этой задачей по двум причинам: во-первых, хотя площадь схемы можно сделать сверхмалой, всё же нужно оставить сравнительно большое пространство по краям, чтобы чип можно было вырезать из пластины. В случае такого простого микроконтроллера, как Flexicore, вокруг края будет больше места, чем области, содержащей схемы. Более того, понадобится ещё больше места для размещения достаточного количества контактных площадок ввода-вывода, чтобы данные и питание могли попасть на чип. Внезапно получается большая площадь дорогостоящего пустого кремния, что увеличивает расходы выше критической отметки в 0,01 доллара США.
Команда ещё больше упростила, разработав процессор таким образом, чтобы он выполнял инструкцию за один такт вместо многоступенчатых конвейеров современных процессоров. Затем они разработали логику, реализующую эти инструкции путем повторного использования частей, что ещё больше уменьшило количество вентилей.
Всё это привело к созданию 4-битного FlexiCore площадью 5,6 квадратных миллиметра, состоящего всего из 2104 полупроводниковых устройств (примерно столько же, сколько транзисторов в Intel 4004 1971 года) по сравнению с примерно 56 340 устройствами для PlasticARM. Это на порядок меньше, чем у самых маленьких кремниевых микроконтроллеров с точки зрения количества вентилей. Команда также разработала 8-битную версию FlexiCore, но она пока не дала положительных результатов.
С PragmatIC Semiconductor команда из Иллинойса произвела пластины с пластиковым покрытием, заполненные 4-битными и 8-битными процессорами, протестировала их при различных напряжениях в нескольких программах. Эксперимент кажется простым, но он новаторский. Большинство исследовательских процессоров, созданных с использованием некремниевых технологий, дают настолько низкую производительность, что результаты сообщаются с одного или, в лучшем случае, нескольких работающих чипов. Это первая работа, в которой кто-либо получал данные с нескольких микросхем для любой некремниевой технологии.
Не удовлетворившись таким успехом, команда разработала инструмент проектирования для изучения архитектурных оптимизаций для различных приложений. Например, инструмент показал, что энергопотребление можно значительно снизить, если немного увеличить количество вентилей.
Индустрия чипов была ориентирована на показатели мощности и производительности и в некоторой степени надёжности. Сосредоточение внимания на стоимости позволяет создавать новые компьютерные архитектуры и нацеливаться на новые приложения. Это именно та инновация в дизайне, которая необходима для поддержки по-настоящему вездесущей электроники.
