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鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03625-w

這款新產品被命名為PlasticArm，從外表看該處理器材質類似塑料，因此將其命名為PlasticArm，Arm表示這個基于32位Cortex-M0的芯片僅能接收128字節的RAM以及456字節的PRAM。

柔性處理器的優點

目前從筆電到汽車，再到各種智能型設備，微處理器都是所有電子設備的核心組件。近50 年前，處理器大廠英特爾發明世界第一個商用化微處理器，當時4 位處理器內建2,300 個晶體管，僅能進行簡單算術運算。目前最先進64 位元微處理器，內建多達300 億個晶體管，使用7 納米制程生產。現階段微處理器已深深進入人類生活。

與傳統半導體器件不同，柔性電子器件構建在紙張、塑料或金屬箔等基板上，并使用有機物或金屬氧化物或非晶硅等有源薄膜半導體材料。與晶體硅相比，它們具有許多優勢，包括薄度、一致性和低制造成本。薄膜晶體管 (TFT) 可以在柔性基板上制造，其加工成本比在晶體硅晶片上制造的金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 低得多。TFT 技術的目標不是取代硅。隨著這兩種技術的不斷發展，硅很可能會在性能、密度和功率效率方面保持優勢。然而，

微處理器是每個電子設備的核心，包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦、路由器、服務器、汽車，以及構成物聯網的智能設備。盡管傳統的硅技術已將微處理器嵌入到了地球上的每一個智能設備中，但它面臨著使日常物品變得更智能的關鍵挑戰，例如瓶子（牛奶、果汁、酒精或香水）、食品包裝、服裝、可穿戴貼片、繃帶等等。成本是阻礙傳統硅技術在這些日常用品中可行的最重要因素。盡管硅制造的規模經濟有助于顯著降低單位成本，但微處理器的單位成本仍然高得令人望而卻步。此外，硅芯片并不具備天生的薄、柔韌和貼合。

另一方面，柔性電子產品確實提供了這些理想的特性。在過去的 20 年中，柔性電子產品已經發展到提供成熟的低成本、薄型、柔性和適應性強的設備，包括傳感器、存儲器、電池、發光二極管、能量收集器、近場通信/射頻識別和印刷電路比如天線。這些是構建任何智能集成電子設備的基本電子元件。缺少的部分是靈活的微處理器。

柔性處理器的難點

之前尚未做出可行的柔性微處理器的主要原因是，需要在柔性基板上集成相對大量的 TFT 以執行各種計算。這在新興的柔性的 TFT 材料技術出現之前是不可能的。

早期的柔性處理器作品是基于顯影8位CPU，使用低溫多晶硅TFT的技術，其具有高的制造成本和差的橫向伸縮性。最近，基于二維材料的晶體管已被用于開發處理器，例如使用二硫化鉬 (MoS 2 ) 晶體管的 1 位 CPU和由互補碳納米管晶體管構建的 16 位 RISC-V CPU。然而，這兩項工作都是在傳統的硅晶片上而不是在柔性基板上進行演示的。

構建基于金屬氧化物TFT的處理元件的首次嘗試是一個8位算術邏輯單元，它是CPU的一部分，與一個在聚酰亞胺上制造的可編程的ROM相配合。最近，Ozer等人提出了金屬氧化物TFT中原有的靈活的專用機器學習硬件。盡管機器學習硬件18有最復雜的柔性集成電路（FlexIC），用金屬氧化物TFT制造，大約有1400個門，但FlexIC不是一個微處理器。此次Arm所推出的可編程處理器方法比機器學習硬件更通用，它支持豐富的指令集，可用于編程各種應用，從控制代碼到數據密集型應用，包括機器學習算法。

柔性微處理器有三個主要組成部分--（1）32位CPU，（2）包含CPU和CPU外設的32位處理器，以及（3）包含處理器、存儲器和總線接口的片上系統（SoC）--所有這些都是用金屬氧化物TFT在柔性基底上制造的。

這款柔性32位處理器來自于支持Armv6-M架構的Arm Cortex-M0+處理器19（豐富的80多條指令）和現有的軟件開發工具鏈（例如，編譯器、調試器、鏈接器、集成開發環境等）。PlasticARM能夠從其內部存儲器運行程序。PlasticARM包含18,334個NAND2等效門，這使得它成為有史以來在柔性基底上用金屬氧化物TFT制造的最復雜的FlexIC（至少比以前的集成電路復雜12倍）。

PlasticARM系統架構

Arm 研究團隊此次結合金屬氧化物薄膜晶體管和柔性聚酰亞胺，制成名為「PlasticARM」完全軟性32位微處理器，可整合至內建存儲器的電路架構運作。

PlasticARM的芯片架構如圖1a所示。它是一種 SoC，包括源自 32 位 Arm Cortex-M0+ 處理器系列的 32 位處理器、存儲器、系統互連結構和接口塊以及外部總線接口。

圖1a , SoC 架構，顯示了內部結構、處理器和系統外設。該處理器包含一個 32 位 Arm Cortex-M CPU 和一個嵌套向量中斷控制器 (NVIC)，并通過互連結構 (AHB-LITE) 連接到其內存。外部總線接口提供通用輸入輸出 (GPIO) 接口以與測試框架進行片外通信。

圖1b，PlasticARM中使用的CPU與Arm Cortex-M0+ CPU的特點比較。這兩個CPU都完全支持Armv6-M架構，具有32位地址和數據能力，以及來自整個16位Thumb和32位Thumb指令集架構的子集的總共86條指令。CPU的微架構有一個兩級流水線。寄存器在Cortex-M0+的CPU中，但在PlasticARM中，寄存器被移到SoC中基于閂鎖的RAM中，以節省Cortex-M的CPU面積。最后，這兩個CPU相互之間以及與同一架構家族中的其他CPU是二進制兼容的。

圖1c，PlasticARM的芯片布局，在白色方框中表示關鍵塊，如Cortex-M處理器、ROM和RAM。

圖1d, PlasticARM 的芯片顯微照片，顯示了芯片和核心區域的尺寸。

該處理器完全支持 Armv6-M 指令集架構，這意味著為 Cortex-M0+ 處理器生成的代碼也將在派生自它的處理器上運行。處理器由 CPU 和與 CPU 緊密耦合的嵌套向量中斷控制器 (NVIC) 組成，用于處理來自外部設備的中斷。

SoC 的其余部分由存儲器（ROM/RAM）、AHB-LITE 互連結構（高級高性能總線 (AHB) 規范的一個子集）和將存儲器連接到處理器的接口邏輯以及最后一個外部用于控制兩個通用輸入輸出 (GPIO) 引腳以進行片外通信的總線接口。ROM 包含 456 字節的系統代碼和測試程序，并已實現為組合邏輯。128 字節的 RAM 已實現為基于鎖存器的寄存器文件，主要用作堆棧。

圖1b顯示了PlasticARM中使用的Cortex-M和Arm Cortex-M0+的比較。雖然PlasticARM中的Cortex-M處理器不是標準產品，但它實現了支持16位Thumb和32位Thumb指令集架構子集的Armv6-M架構，因此它與同一架構系列的所有Cortex-M類處理器（包括Cortex-M0+）二進制兼容。PlasticARM中的Cortex-M與Cortex-M0+之間的關鍵區別是，我們在SoC中為CPU寄存器分配了特定的RAM部分（約64字節），并將它們從CPU移到PlasticARM中Cortex-M的RAM中，而在Cortex-M0+中，寄存器仍在其CPU內。通過消除CPU中的寄存器并使用現有的RAM作為寄存器空間，CPU面積大幅減少（約3倍），代價是寄存器訪問速度變慢。

后續計劃

總的來說，PlasticARM性能還不是很好。它的最大時鐘速度僅位29kHz，在這個速度下消耗大約20毫瓦。這聽起來可能很小，但在標準硅上實現的M0+只需要10微瓦多一點就能達到兆赫。從積極的一面看，它有超過18000個單獨的門，這比之前描述的柔性處理器高出一個數量級。它還成功地執行了ROM中的所有軟件。

該團隊已經在計劃其下一步，這主要涉及降低功耗。鑒于該處理器的性能與標準硅之間的差距，這種減少是適當的。研究人員還希望將門數提高到10萬以上，盡管他們認為這種方法最終會在低于一百萬門的地方達到最大值。