作者: Arm Bluepring Staff

彈性化處理已經來臨。但薄膜半導體不會取代矽晶片，而是扮演相輔相成的角色。

微處理器是歷史上的關鍵發明之一，其影響力可與輪子、電晶體和印刷機等技術突破媲美。它的熱門程度或實用性也無孔不入：每年生產的數百億顆處理器，已經徹底改變了醫療保健、媒體、零售、運輸，當然還有資訊管理等產業。

自五十多年前全球首款微處理器 Intel 4004 首次發表以來，微處理器的效能便呈指數級提升，同時成本和能耗也大幅下降。

然而，迄今為止，這數十億個微處理器中，有大多數都是在剛性矽基板上製造，對某些應用帶來了整合性挑戰。透過在彈性塑膠甚至紙質基板上製造薄膜電晶體 (TFT)，可以製造出「原生彈性微處理器」(Natively Flexible Microprocessors)，該微處理器可以用矽晶無法實現的成本整合到許多種產品中，進而開啟新的市場機會。

彈性處理器: 通往萬物聯網之路？
想像一下，食品上的智慧標籤可以根據它們的處理方式改變有效期限，幫助減少每年浪費的 16 億噸食物。或者將平價的振動感測器應用於自來水管路，並透過網狀網路連接，以精確顯示漏水處的定位，有助於輸水過程中減少 32.6 兆公升的水量損失。

令人震驚的是，1.1 兆噸的人造物料現在等於地球上所有生命體的重量，而這個數字將在 2040 年翻倍。也許透過使更多的日常物品變得「智慧」化，並透過將各種元件返還給原始生產者進行再製造，可以減少堆積如山的「人造物」。在智慧物件、嵌入式處理和萬物互聯方面，我們才剛剛接觸到皮毛而已。

PlasticArm: 隨處可得的彈性處理
Arm 最近分享了一個名為 PlasticArm 的企業贊助學術研究專案的細節，該專案的目標是探索在彈性塑膠基板上使用最先進 TFT 建構經濟實惠、基於 Arm 架構微控制器的可行性。雖然 PlasticArm 是一款以 Cortex-M0 為基礎的超極簡系統單晶片，只有 128B 的 RAM 和 456B 的 ROM，但它比目前最先進的設備複雜 12 倍。PlasticArm 採用 PragmatIC Semi 的 0.8µm 金屬氧化物 TFT 技術來實現，在 59mm^2 的面積內僅使用 39K NAND2 柵極當量。(您可以在最近的 Nature 期刊中閱讀更多內容。)

雖然感測器、顯示器和電池等彈性電子元件已經存在，但完整靈活地整合智慧系統所缺少的元件，便是微處理器。雖然彈性微處理器是透過壓低矽晶片厚度來生產的，但這是一個昂貴的製程，並且仍然存在整合方面的挑戰。另一方面，原生彈性處理器可以與其他彈性元件緊密整合，以形成一個完全彈性的整合式智慧系統，可用於智慧型健康修補等產品。

彈性處理的商業化
PlasticArm 是初始的一步、一個概念驗證，這將是一條通往完全商業化的複雜道路。製造更大、更複雜系統的最大挑戰之一是功耗。PlasticArm 以 29kHz 的頻率執行，功耗為 21mW。因為僅在 N 型處理中實施，因此其中大部分是靜態功率。一旦 P 型 TFT 達到 CMOS 邏輯可商業化的程度，那麼這種靜態功耗就會急遽下降 - 就像 80 年代的矽晶片一樣。

在縮小面積方面，彈性電子產品似乎遵循著摩爾定律 – 只不過比晶片落後了 40 或 50 年。例如在 2011 年，也就是 Intel 發表 4004 的 40 年之後，我們看到了 IMEC 的 8 位元塑膠 ALU。然後在 2020 年，也就是在第一個 Arm 晶片問世的 35 年後，我們見到了 PlasticArm。如果這種趨勢持續下去，我們將看到彈性電子產品的快速增長 - 但它永遠不會趕上或取代矽晶片。

另一個挑戰則與電源供應息息相關。鋰離子電池將是不切實際的，並且對於大量彈性應用來說可能過於昂貴。可靠性至關重要：部分裝置必須能夠運作長達數年 - 因此需要特定形式的能量採集搭配間歇性運算的設計。彈性處理器可能需要可列印的電池、壓電體 (piezoelectrics) 或具有 RF 頻率的能量收集能力。雖然前景看好，但所有的這些技術仍處於早期的實驗階段。

同樣，我們也必須設計記憶體、儲存設備、軟體、韌體、安全性和網路以及其他技術以便能與彈性處理器相輔相成。其中部分可以直接從晶片生態系統中導入。由於 PlasticArm 建立在 Arm6 架構之上，因此軟體開發人員可以利用現有的工具鏈。然而，其他技術將需要實質性的修改或再造。數據管理將是主要挑戰之一，因為彈性 SoC 需要減少網路流量和儲存，同時有效地分析傳入的資料，以得出對消費者或製造商而言有價值的結果。設備和端點上的更多 AI 將在平衡這些看似相互衝突的需求方面發揮關鍵作用。

克服環境挑戰
更多的晶片，即便只是小型晶片，仍舊代表塑膠和電子廢棄物的增加。2019年，在 5300 萬噸電子廢棄物中，只有 17.4% 得到了妥善的回收。塑膠處理器需要能夠回收，如果可以在其原始壽命結束之後還能另做其他用途就更好不過。電子再利用技術似乎註定要成為一個廣大的市場 (想想即將到來的一波電動汽車電池浪潮) 但研究、開發和部署還只是處於早期階段。

當然，成本必須降至接近零。將設備直接整合到主機產品中的技術、產業標準、可授權的核心設計、開放原始碼函式庫等，都將有助於在未來幾年降低成本。隨著它們的發展，我們將看到對開發成套設備和代工服務的興趣也相應增加，進一步推動良性循環。供應鏈和經濟關係也將發生變化。相較於為數百個客戶提供服務的數十億晶圓廠，彈性 IC 可以在小型分散式晶圓廠中進行開發，這些晶圓廠可以設置在終端客戶的設施中，並由半導體專家執行。

雖然很難準確預測這個市場將如何發展，但我相信一段時間後它勢必會起飛：潛在的優勢和使用場景多到不容忽視。彈性電子產品不會取代矽晶片，在效能方面也無法企及。相反，其將成為一個平行宇宙般的存在，擴大我們現有的能力，並延伸半導體所影響的範圍。

本文最初發表於 Semiconductor Engineering。

原文連結: The ‘Natively Flexible’ Processor Has Arrived: Here’s What We Need to Make It Mainstream