以核心 IP 設計聞名的 ARM，其產品已遍布智能手機、服務器、以及物聯網等領域。現在，該公司又介紹了首款非硅基微控制器 —— 它就是投入近十年精力、一直在等待有合適的工藝來製造的一款可完全工作的“塑料”處理器核心。
研究配圖 – 1：PlasticARM 架構與特性
在近日發表於《自然》雜誌上的一篇文章中，該公司隆重介紹了《一款靈活的 32 位 ARM 微處理器》。
此前有關“塑料”或柔性電子產品的概念，已經存在了較長的一段時間。其通常涉及大而簡單的製造工藝、基礎的 8 位加法器、或顯示屏。
不過我們現在看到的，則是 ARM 與 PragmatIC 合作打造的、業內最受歡迎的微控制器之一（M0）的全功能非硅版本。
研究配圖 – 2：測試流程
據悉，M0 內核處於 ARM 核心產品堆棧的最基礎層級。得益於極簡的設計，這款廣為流行的微控制器的芯片面積很小，很適合對功耗有較高要求的簡單任務。
換言之，我們不會很快的新一代大型設備上見到非硅芯片的身影，但許多依賴 M0 內核來執行基本控制任何的集成電子設備，將迎來這方面的較大變化。
至於 PlasticARM 項目，其旨在在柔性“塑料”介質上重建 M0 核心，並且擁有兩項重要特徵。
研究配圖 – 3：標準單元架構的演變
首先，非硅處理器 / 微控制器使得我們在包裝、服裝、醫用繃帶等方面實現一定程度的可編程性。
比如與粒子傳感器配合使用，以確定包裝內的食物是否發生了腐敗或污染，而不再適合人類食用。
其次，與等效的硅芯片設計相比，大規模柔性微控制器的處理成本，較前者低了好幾個數量級。
值得一提的是，報道稱新 M0 設計、較當前最先進的“塑料”計算設計要強 12 倍。
研究配圖 – 4：緩衝區布局與傳輸特性
ARM 在新聞稿中稱，Plastic M0 設計具有 128 字節的 RAM + 456 字節的 ROM，同時還支持 32 位 ARM 微體系架構。
此外由發表於《自然》雜誌上的研究論文可知，該處理器由“聚酰亞胺”基板構成，輔以薄膜金屬氧化物晶體管（例如 IGZO TFT）工藝。
其在基礎上仍屬於光刻工藝，需運用旋塗和光刻膠技術，最終成品擁有 13 個材料層和 4 個可布線的金屬層。
不過自 IGZO 顯示技術投入運用以來，TFT 設計已經相當普及，生產成本也做到了相當低廉。
研究配圖 – 5：PlasticARM 的 RTL 模擬
該內核支持 ARMv6-M 架構，具有 16 位 Thumb ISA 和 32 位 Thumb 子集。與常規版本的 M0 一樣，其數據和地址位寬均為 32-bit，輔以 2 級有序設計流水線、且支持 86 條指令。
與硅基 M0 內核的主要區別， 在於“塑料”M0 設計並未將寄存器放在 CPU 內部、而是映射到了 128 字節的 DRAM 上，因為後者能夠更好地支持 TFT 設計。
除此之外，Plastic M0 內核還是與所有其它 Cortex M0 內核實現二進制兼容。芯片大小上，使用台積電 90nm 硅工藝的 Cortex M0 芯片的典型尺寸為 0.04 mm2 。
而使用等效 800nm TFT 工藝的 PlasticARM 的核心，則是 59.2 mm2（7.536 毫米 × 7.856 毫米）。
研究配圖 – 6：PlasticARM 芯片的三項仿真測量
綜上所述，Plastic M0 內核的大小，約為標準物聯網芯片的 1500 倍。另一個較大的區別，就是其在 3V 輸入下的頻率約為 20 ~ 29 kHz 。
此外由 ARM 設計文檔可知，針對功率（而非頻率）進行優化的 180nm 超低泄露工藝，可讓 M0 在 50 MHz 的頻率下運行（差異在 1600 ~ 2500 倍）。
ARM 指出，Plastic M0 設計擁有 56340 個器件，結合了 39157 個薄膜 n 型晶體管 + 17183 個電阻器。
此設計的目標是不添加任何物理電阻，通過在 TFT 層級使用更高電阻的光刻材料，以實現更小的尺寸。
Cortex-M 產品線（來自：ARM 官網，via AnandTech）
總體而言，該論文預測了 18334 個 NAND2 門的等效硅設計。Plastic M0 內核在 29 kHz 頻率下的總功率為 21 mW，其中 99% 為靜態功率（45% 內核 / 33% 內存 / 22% IO）。
處理器上的 28 個引腳，允許時鐘信號生成、複位、GPIO、供電、以及調試。感興趣的朋友，可移步至《Nature》查看《A natively flexible 32-bit Arm microprocessor》全文。