以核心 IP设计闻名的 ARM，其产品已遍布智能手机、服务器、以及物联网等领域。最近ARM发布其首款非硅基微控制器——用“塑料”实现一个处理器核心。这项技术已经研发了近十年，但Arm一直在等待工艺成熟，以创造一个可以完全工作的核心。现在，该公司已经在有形介质中进行了一些工作，具体研究已经在《自然》杂志上发表。

创建“塑料”CPU

       “塑料”或柔性电子产品已经伴随我们很长时间了，通常涉及大型且简单的电子设计、基本的8位加法器以及显示器。我们现在看到的是一些不同的东西——Arm与PragmatIC合作，生产了Arm最受欢迎的微控制器之一的全功能非硅版本：M0。

        M0核心位于Arm核心产品栈的最底部，然而这种极简设计在硅处理器中很受欢迎，因为对于简单的微控制器任务来说，它的die面积和功耗要求都很低。因此，虽然它不会在短时间内为下一个大型设备提供动力，但我们拥有的许多集成电子产品很可能已经依赖M0核心来完成基本的控制任务。

       PlasticArm在一个灵活的塑料介质中重建M0核心。这在两个方面很重要:

·首先非硅版本的处理器或微控制器将允许在包装、服装、医用绷带等方面具有一定的可编程性。例如，与粒子传感器配对，它可以让食品包装确定什么时候食品因变质或污染而不再适合人类食用；

·第二个是成本，与同等的硅设计相比，大规模柔性处理的成本要低几个数量级。

       值得一提的是，据报道新的M0设计比目前最先进的“塑料”计算设计强大12倍。

“塑料”M0的详细信息

        在Arm的新闻稿中，该公司表示，“塑料”M0设计有128字节的RAM和456字节的ROM，同时也支持32位Arm微架构。

        在《自然》杂志上的研究论文中，我们得到了详细的细节。

        该处理器由聚酰亚胺基板构成，并通过金属氧化物TFT薄膜形成。这意味着这仍然是一个技术上的光刻工艺，使用旋转涂层和光阻剂技术，最终处理器有13个材料层和4个可路由的金属层。由于TFT设计在IGZO显示器使用后得到广泛应用，生产成本比MOSFET要低得多。

        该核心支持ARMv6-M架构，16位Thumb ISA结合了一个32位Thumb的子集。与常规的M0一样，数据和地址都是32位，顺序设计是一个2级流水线，核心支持86条指令。与硅M0核心的主要区别在于，寄存器文件不在CPU内部，而是映射到DRAM的128字节组；这是因为TFT设计通过内存映射技术会得到更好的支持。尽管如此，“塑料”M0核心与所有其他Coretex M0核心是二进制兼容的。

        “塑料”M0设计使用56340个器件，是39157个薄膜n型晶体管和17183个电阻的混合。因为这种设计的目标是没有任何物理上的附加电阻，论文记录了在层内实现TFT水平的电阻涉及使用具有更高电阻的光刻材料，以实现更小的面积。最后论文给出了18334个 NAND2门的等效硅设计方案。“塑料”M0核心在29 kHz的总功率为21 mW，其中99%是静态功率(45%的核心，33%的内存，22%的IO)。处理器上的28个引脚允许时钟信号产生、复位、GPIO、电源和调试。

研究范围

        在其新闻稿中，Arm表示生产的主要障碍是技术和制造限制——该项目始于2013年，甚至在2015年的Arm TechCon上展示了一个使用环形振荡器、计数器和移位寄存器阵列的原型电路。然而，许多关键问题仍然没有解决，主要是现代处理器所有不同组件的单元库，以及工具流程和生产。随着时间的推移，Arm的合作伙伴PragmatIC通过它正在从事的其他项目，能够构建一系列与M0处理器所需一致的单元库。据报道，第一次PlasticArm制造和验证是在2020年10月进行的。

        Arm的研究指出，单元库的生产是解锁未来进一步设计的关键。随着微控制器和处理器变得越来越复杂，需要更多的单元来创建端到端可用的产品。除此之外，研究论文还指出，需要低功耗的库来实现规模化；因为“塑料”M0的大部分功耗是静态功耗，通过设计和制造降低功耗将是一个研究方向。还有制造的角度——“塑料”M0都是在光刻工艺上完成的，使用的是使用沉积技术的200nm聚酰亚胺晶圆。“塑料”处理器的最终目标是尺寸不受限制，可以使用传统油墨技术“打印”。目前我们还没到那一步，但这无疑是朝着那个方向迈出的一步。