Procesor architektury ARM Cortex-M0 úplně bez křemíku, vhodný pro ohebnou elektroniku
Polovodiče a procesory se tradičně vyrábějí prakticky vždy z křemíku (ovšem obsahují také kovové spoje), až se toto slovo používá pro čipy jako synonymum. ARM ale teď vyvinul procesor, který křemík nepotřebuje: PlasticArm je přesně podle názvu procesor z umělé hmoty, a to dokonce pružné. Mohl by proto být použitý v komponentech, které jsou měkké a ohýbají se, nebo třeba být součástí šatů, obalů i jiných předmětů.
Ohebné čipy z organických materiálů nejsou úplně nová věc, ale ARM ve spolupráci s firmou PragmatIC dotáhl tuto technologii o několik úrovní dál, než kam to bylo dosud možné, a vytvořil plně funkční procesor. Přesněji tedy mikrořadič, s architekturou odpovídající běžně používaným jádrům ARM Cortex-M0. Má jít o 12× komplexnější čip než jaké byly dosud v ohebném provedení vyvinuté.
Cortex-M0 je víceméně nejmenší a nejjednodušší jádro ARM v současné nabídce firmy, potřebuje poměrně malé množství tranzistorů a také energie pro provoz. Verze PlasticArm má instrukční sadu ARMv6-M sestávající se z 16bitových a části 32bitových instrukcí Thumb, celkově jich jádro zná 86 a dokáže spouštět kód určený jak pro jádra Cortex-M0, tak pro Cortex-M0+. Datová i adresní šířka je 32 bitů.
Polyamidový wafer, technologie IGZO
Přes jednoduchost jde o pipelinovaný procesor, byť pipeline má jen dva stupně. Vykonávání instrukcí je in-order, samozřejmě. Jakožto mikrořadič pracuje tento procesor se zabudovanou pamětí a úložištěm, které jsou hodně skromné. RAM má 128 bajtů (ano, jen osminu kilobajtu, navíc se tato kapacita ještě používá pro registry procesoru, které nejsou implementované samostatně) a kód je uložený v ROM o „kapacitě“ 456 bajtů. PlasticArm dokáže komunikovat s venkovním světem (třeba s nějakými senzory) pomocí vstupu a výstupu GPIO.
Čip je skutečně vyroben z plastu – místo křemíku se jako základ používá 200mm polyamidový wafer (deska, na které se čip tvoří). Nicméně pořád by měl obsahovat i kovové vodiče, pro výrobu je použitá technologie n-type metal-oxide TFT používající indium, galium a oxid zinku (tedy jako v LCD obrazovkách typu IGZO, vyráběných Sharpem). Struktury jsou na waferu vyráběné klasickým vybavením pro křemíkovou litografii s nějakými úpravami.
Výsledek má 13 vrstev (z toho čtyři vrstvy kovových vodičů/spojů). Tloušťka je méně než 30 mikrometrů a výrobní proces dosahuje délku kanálu tranzistoru 0,8 mikrometru (takže by se asi dal označit za 800nm (nebo 0,8mikronový), což byla technologie zhruba aktuální kolem roku 1990, kdy se na ní vyráběly procesory Intel 486. Napájení vyžaduje napětí alespoň 3 V.
Takty 29–40 kHz
Čip má asi 18 000 hradel* a celé pouzdro i s 28 kontakty pro napájení a komunikaci (reset, generátor taktu, GPIO, debug) po okrajích měří 9 × 9 mm. Plocha samotného čipu je 7,536 × 7,856 mm (59,2 mm²). Jaké dosahuje frekvence? Podle publikovaných informací dokáže s napájecím napětím 3 V běžet na 29 kHz. Podobně jako ve velkých moderních CPU se dá docílit i vyšší takt jeho zvýšením. Při 4,5 V už je možné dosáhnout frekvence 40 kHz.
* Přesněji, zdá se, že toto znamená, že ekvivalentní křemíkový čip by měl 18 334 hradel typu NAND2. PlasticArm ve skutečnosti má 39 157 tranzistorů n-type TFT a 17 183 integrovaných odporů (ty jsou přímo v návrhu čipu místo osazení externích odporů okolo čipu).
? Introducing the first fully functional non-silicon @Arm Processor, PlasticArm.
This ultra-minimalist Arm Cortex-M0 based SoC could enable billions of low-cost microprocessors to be embedded into everyday objects.
The potential is beyond significant: https://t.co/9bd5KHuUIC pic.twitter.com/rS0nXK6tOF
— Arm (@Arm) July 21, 2021
Podle autorů studie, která byla publikována v Nature, by mělo být možné vyrobit na základě tohoto designu i větší čipy, podle jejich odhadu by stejnou technologií měly být realizovatelné čipy s až 100 000 hradel, než se začne stávat problémem spotřeba. Pak by už bylo nutné využít jiné materiály a postupy. Vyrobený Cortex-M0 „PlasticArm“ má mimochodem mít spotřebu okolo 21 mW, což by se mělo dát dodat i docela malým fotovoltaickým (solárním) článkem. 99 % příkonu má být statická spotřeba.
Takovéto čipy by také mohly být výrobně velmi levné, možná až desetinásobně proti těm křemíkovým. Pro potřeby různých velmi jednoduchých zařízení by proto mohly být hodně výhodné, i když se pomine ona zajímavá vlastnost, jíž je schopnost ohybu (míněno ohybu, po němž čip stále funguje).
Mohly by být součástí různých senzorů, miniaturních medicínských zařízení, cenovek v obchodech – takováto elektronika by se mohla dát nacpat i do věcí, kde na to zatím nebylo pomyšlení. Otázka je, jestli je to dobrý nápad a jestli není lepší strukturu a složení odpadu, který civilizace produkuje, spíš zjednodušovat kvůli snazšímu zpracování a recyklaci, než ho komplikovat tím, že do něj budeme míchat mraky miničipů.
Zdroj: ARM, Nature, CNX Software, AnandTech, Tom’s Hardware
Jan Olšan, redaktor Cnews.cz
