Connu pour son IP de conception de base qui se retrouve dans tout, de l’IoT aux smartphones en passant par les serveurs, Arm présente maintenant qu’il a activé l’un de ses microcontrôleurs clés dans un nouveau facteur de forme : plutôt que d’utiliser le silicium comme base, la société a permis à un noyau de processeur en plastique. La technologie est en préparation depuis près d’une décennie, mais Arm attend les méthodes de fabrication pour créer un noyau entièrement fonctionnel. Maintenant, l’entreprise a quelque chose qui fonctionne dans un support tangible et la recherche a été publiée dans Nature.

Création d’un processeur en plastique

L’électronique « plastique » ou flexible nous accompagne depuis longtemps et implique généralement des conceptions volumineuses mais simples pour le flux électronique, ou des additionneurs 8 bits de base, jusqu’aux affichages. Ce que nous voyons maintenant est quelque chose d’un peu différent – la principale nouvelle publiée aujourd’hui est qu’Arm, en association avec PragmatIC, a produit une version entièrement fonctionnelle sans silicium de l’un des microcontrôleurs les plus populaires d’Arm, le M0.

Ce noyau M0 se trouve juste au bas de la pile de produits de base d’Arm, mais la conception minimaliste est populaire pour les processeurs au silicium en raison de sa faible surface de matrice et de ses besoins en énergie pour les tâches simples du microcontrôleur. Ainsi, même s’il n’alimentera pas votre prochain gros appareil de si tôt, de nombreux composants électroniques intégrés que vous possédez dépendront probablement déjà des cœurs M0 pour les tâches de contrôle fondamentales.

PlasticArm, comme on l’appelle maintenant, recrée le noyau M0 dans un support plastique souple. Ceci est important pour deux facteurs : premièrement, la capacité d’activer des processeurs ou des microcontrôleurs dans autre chose que du silicium permettra une certaine programmabilité dans l’emballage, les vêtements, les bandages médicaux et autres. Associé à un capteur de particules, par exemple, il peut permettre aux emballages alimentaires de déterminer quand ce qui se trouve à l’intérieur n’est plus propre à la consommation humaine en raison d’une détérioration ou d’une contamination. Le deuxième facteur est le coût, le traitement flexible à grande échelle étant de plusieurs ordres de grandeur moins cher que les conceptions équivalentes en silicium. Au crédit d’Arm, la nouvelle conception M0 ici serait 12 fois plus puissante que les conceptions de calcul en plastique à la pointe de la technologie.

Détails sur le plastique M0

Dans le communiqué de presse d’Arm, la société déclare que la conception Plastic M0 possède 128 octets de RAM et 456 octets de ROM, tout en prenant également en charge une microarchitecture Arm 32 bits.

À l’intérieur du document de recherche publié dans Nature, nous obtenons des détails fins.

Le processeur est construit avec un substrat en polyimide et est formé de transistors à oxyde métallique à couche mince, tels que les TFT IGZO. Cela signifie qu’il s’agit toujours techniquement d’un processus de photolithographie, utilisant des techniques de revêtement par centrifugation et de résine photosensible, aboutissant à un processeur comportant 13 couches de matériau et 4 couches de métal routables. Cependant, comme les conceptions TFT se sont généralisées depuis l’utilisation des écrans IGZO, le coût de production est encore assez faible.

Le noyau prend en charge l’architecture ARMv6-M, avec un Thumb ISA 16 bits combiné à un sous-ensemble de Thumb 32 bits. Comme avec le M0 normal, les largeurs de données et d’adresses sont de 32 bits, la conception dans l’ordre est un pipeline à 2 étages et le noyau prend en charge 86 instructions. La principale différence avec un cœur en silicium M0 est que le fichier de registre, plutôt que d’être à l’intérieur du processeur, est mappé sur la banque de 128 octets de DRAM. C’est parce que la conception TFT est mieux prise en charge par une technique de mappage de mémoire. Malgré cela, le noyau Plastic M0 est binairement compatible avec tous les autres noyaux Cortex M0.

Une taille de matrice typique pour un silicium Cortex M0 utilisant le processus 90 nm de TSMC est de 0,04 mm2, tandis que PlasticArm utilise un processus TFT équivalent à 800 nm et la taille du noyau est de 59,2 millimètres carrés (7,536 mm x 7,856 mm). Cela fait du noyau Plastic M0 environ 1500 fois la taille d’une implémentation IoT standard. L’autre grande différence est la fréquence – le document de recherche indique que le Plastic M0 fonctionne à environ 20-29 kilohertz avec une entrée 3V; un M0 sur un processus à ultra-faible fuite de 180 nm optimisé pour la puissance plutôt que la fréquence, dans les propres documents de conception d’Arms, peut fonctionner à 50 MHz. C’est une différence de fréquence 1600-2500x.

PlasticArm : le Plastic M0
Nœud de processus FlexIC 800 nm
TFT IGZO de type n
Plaquette de polyimide 200 nm
Taille de matrice 59,2 mm2 (noyau uniquement)
(7,536 mm x 7,856 mm)
Épaisseur moins de 30 microns
EST UN ARMv6-M
Thumb 16 bits + sous-ensemble de 32 bits
La fréquence 20-29 kilohertz
Pouvoir 21 milliwatts
Nombre de broches 28 broches
Couches de matériaux 13 couches
Couches métalliques routables 4 couches
Dispositifs 56340
39157 TFT type n + 17183 résistances

La conception Plastic M0 utilise 56340 dispositifs, qui sont un mélange de 39157 transistors de type n à couche mince et de 17183 résistances. Parce que l’objectif de cette conception était de ne pas avoir de résistances physiquement ajoutées, le papier documente que la mise en œuvre de résistances au niveau TFT dans les couches implique l’utilisation de matériaux de photolithographie avec une résistance plus élevée pour permettre une taille plus petite. Dans l’ensemble, l’article prédit une conception en silicium équivalente de 18334 portes NAND2. La puissance globale du cœur Plastic M0 à 29 kHz est répertoriée à 21 mW, dont 99 % sont de la puissance statique (45 % cœur, 33 % mémoire, 22 % E/S). Les 28 broches du processeur permettent la génération du signal d’horloge, la réinitialisation, le GPIO, l’alimentation et le débogage.

Portée de la recherche

Dans son communiqué de presse, Arm déclare que l’un des principaux obstacles à la production était dû aux limites de la technologie et de la fabrication – le projet a commencé en 2013 et même un prototype de circuit a été présenté à Arm TechCon en 2015 à l’aide d’oscillateurs en anneau, de compteurs et de matrices de registres à décalage. . Cependant, un certain nombre de questions clés restaient en suspens, principalement liées aux bibliothèques de cellules pour tous les différents composants d’un processeur moderne, ainsi qu’au flux d’outils et à la production. Au fil du temps, le partenaire d’Arm, PragmatIC, à travers d’autres projets sur lesquels il travaillait, a pu créer une gamme de bibliothèques de cellules congruentes avec ce qui était nécessaire pour un processeur M0. La première fabrication et validation de PlasticArm aurait été réalisée en octobre 2020.

Les recherches d’Arm indiquent que la production de bibliothèques cellulaires est une clé pour débloquer d’autres conceptions à l’avenir. À mesure que les microcontrôleurs et les processeurs deviennent plus complexes, davantage d’éléments (et de types différents) sont nécessaires pour créer un produit utilisable de bout en bout. Aller au-delà de M0 nécessite donc des recherches pour activer des bibliothèques individuelles dans une conception TFT. Au-delà de cela, le document de recherche indique également que des bibliothèques à faible consommation sont nécessaires pour permettre l’évolutivité. Étant donné que la plus grande partie de la consommation d’énergie sur Plastic M0 est de l’énergie statique, la réduire tout au long de la conception et de la fabrication sera un axe de recherche. Il y a aussi l’angle de fabrication – tout cela a été fait sur un processus de photolithographie utilisant des plaquettes de polyimide de 200 nm en utilisant des techniques de dépôt. Un objectif ultime des transformateurs de plastique est que la taille soit moins une limitation et qu’ils puissent être « imprimés » à l’aide de techniques d’encre conventionnelles. Nous n’en sommes pas encore là, mais c’est certainement un pas dans cette direction.

Ainsi, bien que nous ne puissions pas encore acheter de plastique intégré Apple M1, il semble y avoir beaucoup de potentiel futur dans la technologie.

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