创新背景

全球物联网设备的数量正在以每年数十亿的速度增长，这看起来是一个巨大的数字，实际上该领域的潜力还要大得多，但硅芯片昂贵的制造成本阻碍了它的发展。于是科学家们开始考虑使用便宜许多倍的塑料芯片作为解决方案。

之前有研究机构进行了各种尝试，例如 2021 年 Arm 重磅推出 PlasticArm M0 新型塑料芯片原型，可以直接在纸张、塑料或织物上打印电路，该芯片没有采用硅作为基底，而是采用塑料处理器核心。这是 Arm 研究了近十年的项目，但即使这样，Arm 的研究还未能达到人们期望的水平。

创新过程

来自伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究小组使用 PragmatIC 的制造工艺，在塑料上制造了 4 位和8位的微控制器。研究人员在计算机架构国际研讨会（International Symposium on Computer Architecture）上展示了这种简单但功能齐全的塑料处理器，这种处理器最低可以以低于 1 美分的价格制造。

该团队设计了 4 位和 8 位处理器。研究人员表示，在 4 位处理器中大约有 81% 可以工作，这足够突破 1 美分的门槛。

该处理器是使用柔性薄膜半导体铟镓锌氧化物 (IGZO) 制成的，这种薄膜半导体可以建立在塑料上，即使在几毫米半径范围内弯曲也能继续工作。虽然可靠的制造工艺是先决条件，但真正与众不同的是设计。

Kumar 团队没有将现有的微控制器架构改编为塑料，而是从头开始创建了一种名为 Flexicore 的设计。

为了最大限度地减少所需的指令数量。他们使用 4 位和 8 位逻辑而不是 16 位或 32 位逻辑。就像将存储指令的内存与存储数据的内存分开一样。但这样伴随而来的减少了处理器能够执行指令的数量和复杂性。

该团队进一步简化了处理器的设计，将处理器设计为在单个时钟周期内执行指令，而不是现在 CPU 的 multistep pipeline 形式。然后他们通过重用部件来实现这些指令的逻辑，这进一步减少了门数。

通过以上设计，该团队实现了一个具有 5.6 mm^2 的 4 位 FlexiCore 芯片 ，仅由 2104 个半导体器件组成（大约与 1971 年经典 Intel 4004 中的晶体管数量相同），而2021年 Arm 团队开发出的软性微处理器 PlasticARM 则由大约 56340 个器件组成。就门数而言，FlexiCore 比现有最小的硅微控制器少一个数量级。

此外，FlexiCore 还具有优化的板载内存和指令集，可最大限度地减少晶体管数量并降低复杂性。研究人员设计了逻辑元件，使他们可以使用最少的晶体管。

创新关键点

研究团队借助 PragmatIC 技术，生产了具有 4 位和 8 位处理器的塑料涂层晶圆，并在多个程序中对它们进行了不同电压以及弯曲的测试。

该研究开发的芯片可以放置在几乎任何产品的包装上或医疗贴片上，应用领域不再受到限制，而且成本甚至可以控制在一美分以下。随着如此便宜的塑料处理器和柔性电子产品成为主流，也许我们很快就会看到无处不在的电子产品。