新研发6-mW开源塑料芯片可以运行机器学习任务

Pragmatic Semiconductor

科学家们首次创造了一种非硅制成的灵活可编程芯片。来自英国Pragmatic Semiconductor及其同事的新型超低功耗32位微处理器可以在弯曲时工作，并可以运行机器学习工作负载。微芯片的开源RISC-V架构表明，它的成本可能不到一美元，使其能够为可穿戴医疗电子产品、智能包装标签和其他廉价产品供电，其发明者如此表示。

例如，“我们可以开发一种心电图贴片，其柔性电极连接到胸部，柔性微处理器连接到柔性电极，通过处理患者的心电图数据对心律失常状况进行分类，”英国剑桥柔性芯片制造商Pragmatic的处理器开发高级总监Emre Ozer说。他说，检测正常心律与心律失常“是一项机器学习任务，可以在灵活的微处理器中的软件中运行”。

柔性电子产品具有与软材料相互作用的任何应用的潜力（https://spectrum.ieee.org/stretchable-electronics），例如佩戴在身体上或植入体内的设备。这些应用可能包括皮肤计算机、软机器人和脑机接口。但是，传统的电子产品是由硅等刚性材料制成的。

• 开源、灵活、速度足够快

Pragmatic试图创造一种制造成本远低于硅处理器的柔性微芯片。这款名为Flex RV的新设备是一款基于金属氧化物半导体铟镓锌氧化物（IGZO）的32位微处理器（https://spectrum.ieee.org/transparent-transistorshttps://spectrum.ieee.org/thin-fast-and-flexible-semiconductors）。

试图用硅制造柔性器件需要对易碎的微芯片进行特殊封装，以保护它们免受弯曲和拉伸的机械应力。相比之下，由IGZO制成的柔韧薄膜晶体管可以在低温下直接在柔性塑料上制造，从而降低成本。

新的微芯片基于RISC-V指令集。（RISC代表精简指令集计算机。）RISC-V于2010年首次推出，旨在通过精简可执行的核心指令集，实现更小、更低功耗、性能更好的处理器。

“我们的最终目标是通过开发无需许可证的微处理器来实现计算的民主化，”Ozer说。

RISC-V既是免费的，也是开源的，让芯片设计人员避开了与x86和Arm等专有架构相关的昂贵的许可费。此外，专有架构提供的定制机会有限，因为添加新指令通常受到限制。相比之下，RISC-V鼓励这种变化。

Ozer说：“当我们设计Flex RV时，我们选择了Olof Kindgren设计的Serv…（https://github.com/olofk/serv）作为开源32位RISC-V CPU。Serv是开源社区中最小的RISC-V处理器。”

其他处理器已经使用柔性半导体构建，例如Pragmatic的32位PlasticARM和伊利诺伊州工程师设计的超廉价微控制器。与这些早期的设备不同，Flex RV是可编程的，可以运行用C等高级语言编写的编译程序。此外，RISC-V的开源性质也让研究人员为Flex RV配备了可编程的机器学习硬件加速器，从而实现了人工智能应用。

Pragmatic Semiconductor

每个Flex RV微处理器都有一个17.5平方毫米的内核和大约12600个逻辑门（https://spectrum.ieee.org/optical-computing-picosecond-gates）。研究小组发现，Flex RV的运行速度可达60千赫兹，功耗不到6毫瓦。

所有以前的柔性非硅微处理器都是在制造它们的晶片上进行测试的。相比之下，Flex RV是在柔性印刷电路板上进行测试，这让研究人员可以看到它在弯曲时的运行情况。Pragmatic团队发现，当弯曲成半径为3毫米的曲线时，FlexRV仍然可以正确执行程序。性能在4.3%的减速到2.3%的加速之间变化，具体取决于它的弯曲方式。“需要进一步的研究来了解弯曲条件（如方向、取向和角度）如何在宏观和微观尺度上影响性能，”Ozer说。

Ozer表示，硅微芯片可以以千兆赫的速度运行，比Flex RV快得多，但这应该不是问题。他说：“柔性电子世界中的许多传感器，例如温度、压力、气味、湿度、pH值等，通常在赫兹或千赫兹的频率下运行非常缓慢。这些传感器用于智能包装、标签和可穿戴医疗电子产品，这些都是柔性微处理器将发挥作用的新兴应用。以60 kHz运行微处理器将足以满足这些应用的要求。”

Ozer和他的团队建议，每个Flex RV的成本可能不到一美元。尽管Ozer不想说它的成本可能比一美元低多少，但他表示，他们相信“由于Pragmatic的低成本灵活芯片制造技术和免许可的RISC-V技术”，这种低成本是可能实现的。

科学家们在9月25日的《自然》杂志上在线详细介绍了他们的发现: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07976-y。