ARM CPU：新芯片PlasticARM塑料M0详细信息介绍

根据一份报告，这家英国公司目前几乎支持所有移动处理器，它正在展望未来，在几乎所有东西中都有一个微控制器。这包括柔性材料，例如一张纸或医用绷带。该公司在科学杂志《自然》上发表了一篇论文，解释了它是如何用塑料制造芯片的。值得注意的是，这并不是我们第一次听说柔性芯片。然而，ARM 表示，这一次它取得了坚实的进步。例如，新设计的对数门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 字节 ROM 和 128 字节 RAM。它看起来很简单，但是，它证明了这个概念存在并且正在进步。现在的PlasticARM 并不能运行任何东西。目前，它只能运行三个硬连线到其电路中的测试程序。但是，ARM 声明它将允许其他人在未来版本中写入新代码。

Arm以处理器核心设计IP（知识产权）而闻名，其核心设计应用于从物联网、智能手机到服务器的各种设备。

Arm现在表明，它已帮助设计出了采用全新外观尺寸的关键微控制器：该公司不是使用硅作为基底，而是帮助做出了采用塑料的处理器核心。这项技术已研究了近十年，但Arm一直在等制造方法来设计完全实用的核心。现在，这家公司已研制出采用有形媒介的实用芯片，研究论文发表在《自然》杂志上。

研制塑料CPU

“塑料”或柔性电子产品伴随我们已有很长时间，通常涉及庞大而简单的电子产品流程设计，从基本的8位加法器一直到屏幕。我们现在看到的有点不一样——今天发布的重大新闻是，Arm与PragmatIC 合作，做出了Arm最受欢迎的微控制器之一M0的完全实用的非硅版本。

这个M0核心正好位于Arm核心产品堆栈的底部，然而这种极简设计却是硅处理器的一种流行设计，因为芯片面积小，功耗要求低，以便处理简单的微控制器任务。因此，虽然它不会很快用在您的下一个重要设备上，但您拥有的许多集成电子设备可能已经依赖M0核心来执行基本的控制任务。

所谓的PlasticArm用柔性塑料媒介重新制作了M0核心。这在两个方面很重要——首先，能够用硅以外的材质帮助做成处理器或微控制器，将让包装物、服饰和医用绷带等其他东西具有一定程度的可编程性。比如说，若与粒子传感器配合使用，就可以允许食品包装袋确定里面的东西何时因腐败或污染而不再适合人类食用。第二个方面是成本，大规模的柔性处理远比同等的硅设计便宜得多。值得称道的是，据报道，Arm新的M0设计其性能比目前最先进的塑料芯片设计强大12倍。

塑料M0的详细信息

Arm在新闻稿中表示，塑料M0（Plastic M0）设计有128字节的RAM和456字节的ROM，还支持32位Arm微架构。

在发表于《自然》杂志上的研究论文中获得了更详细的信息，论文题目是《一种天生柔性的32位Arm微处理器》。

该处理器采用聚酰亚胺基板，通过薄膜金属氧化物晶体管（比如IGZO TFT）做成。这意味着这从技术上来说仍然是光刻工艺，使用旋涂和光刻胶技术，最后做出来的处理器有13道材料层和4道可布线的金属层。然而，由于自使用IGZO屏幕以来TFT设计已经很普遍，因此生产成本仍很低。

核心支持ARMv6-M架构，16位Thumb ISA与32位Thumb子集相结合。与传统M0一样，数据宽度和地址宽度均为32位，循序设计是2级流水线，核心支持x86指令。与硅M0核心的主要区别在于，寄存器文件不是在CPU内部，而是映射到128字节的DRAM组。这是由于通过内存映射技术可以更好地支持TFT设计。尽管如此，塑料M0核心仍与所有其他Cortex M0核心做到二进制兼容。

就采用台积电90nm工艺的硅Cortex M0而言，芯片尺寸通常是0.04 mm2，而PlasticArm使用对等的800nm TFT工艺，核心尺寸为59.2 mm2（7.536mm x 7.856mm）。这使得塑料M0核心的大小大约是标准物联网核心的1500倍。另一大区别是主频——研究论文指出，塑料M0在3V输入电压下的主频约20kHz至29kHz；在Arm自己的设计文档中，采用针对功率而非频率进行优化的180nm超低泄漏工艺的M0其主频为50 MHz。主频相差1600倍至2500 倍。

塑料M0设计使用56340器件，该器件结合了39157个薄膜n型晶体管和17183个电阻器。论文称，由于这种设计的目的是没有任何物理添加的电阻器，这么多层内在TFT层面部署电阻器需要使用电阻更高的光刻材料，以实现尺寸更小。总体而言，论文预测了18334个NAND2门的同等硅设计。塑料M0核心在29 kHz下的总功耗为21 mW，其中99%是静态功耗（45%用于核心、33%用于内存、22%用于IO）。处理器上的28个引脚用于时钟信号生成、复位、GPIO、电源和调试。

研究范围

Arm在新闻稿中表示，生产芯片的主要障碍之一归结为技术和制造方面的限制——该项目始于2013年，而早在2015年Arm TechCon上展示的原型电路就使用了环形振荡器、计数器和移位寄存器阵列。然而，许多关键问题仍悬而未决，主要是现代处理器所有不同部件所用的单元库（cell library），以及工具流程和生产。随着时间的推移，Arm的合作伙伴PragmatIC通过它所开展的其他项目，得以构建与M0处理器所需的部件相一致的一系列单元库。据报道，首次的 PlasticArm的制造和验证已于2020年10月进行。

Arm的研究指出，单元库的生产是未来发掘进一步设计的关键。随着微控制器和处理器变得越来越复杂，需要不同类型的更多元件以制造端到端的实用产品。因而，超越M0需要研究帮助做成采用TFT设计的单个库。除此之外，研究论文还指出需要低功耗库来实现规模化。由于塑料M0上的大部分功耗是静态功耗，因此通过设计和制造来降低静态功耗将是一个研究方向。还有制造这个环节——这完全是在采用使用沉积技术的200nm聚酰亚胺晶圆的光刻工艺完成的。塑料处理器的终极目的是尺寸不是很大的限制因素，它们可以使用传统墨水技术来“刻印”。我们还没有到达那一步，但无疑往这个方向迈出了一步。

责编：editorAlice