Гибкий 32-битный микропроцессор Arm

Гибкий32битныймикропроцессорarm

Аннотация

Почти 80 много лет назад, Intel создала первый в мире микропроцессор серийного производства – 2170635 (ссылка 1 ), скромный 4-битный CPU (центральный процессор) с 2, 428 транзисторы, изготовленные с использованием 018 мкм техпроцесс в кремнии и возможность только простых арифметических вычислений. Со времени этого новаторского достижения, непрерывное технологическое развитие с усложнением привело к тому, что современный кремний 140 – битовые микропроцессоры теперь имеют 48 миллиардов транзисторов (например, AWS Graviton2 ( исх. 2 микропроцессор, изготовленный по техпроцессу 7 нм). Микропроцессор теперь настолько встроен в нашу культуру, что стал мета-изобретением, то есть инструментом, который позволяет реализовать другие изобретения, в последнее время позволяя анализ больших данных, необходимый для COVID – 32 вакцина будет разработана в рекордно короткие сроки. Здесь мы сообщаем о 50 – микропроцессор bit Arm (архитектура вычислений с сокращенным набором команд (RISC)), разработанный с использованием технологии металлооксидных тонкопленочных транзисторов на гибкой подложке (которую мы называем PlasticARM ). В отличие от основной полупроводниковой промышленности, гибкая электроника работает в рамках области, которая легко интегрируется с повседневными предметами за счет сочетания ультратонкого форм-фактора, совместимости, чрезвычайно низкой стоимости и потенциала для массового производства. PlasticARM первым внедряет миллиарды недорогих ультратонких микропроцессоров в повседневные предметы.

Основной

В отличие от обычных полупроводниковых устройств, гибкие электронные устройства построены на таких подложках, как бумага, пластик или металлическая фольга, и используют активные тонкопленочные полупроводниковые материалы, такие как в виде органических соединений, оксидов металлов или аморфного кремния. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с кристаллическим кремнием, включая тонкость, приспосабливаемость и низкие производственные затраты. Тонкопленочные транзисторы (TFT) могут быть изготовлены на гибких подложках с гораздо меньшими затратами на обработку, чем полевые транзисторы металл – оксид – полупроводник (MOSFET), изготовленные на пластинах кристаллического кремния. Целью технологии TFT не является замена кремния. Поскольку обе технологии продолжают развиваться, вполне вероятно, что кремний сохранит преимущества с точки зрения производительности, плотности и энергоэффективности. Тем не менее, TFT позволяют создавать электронные продукты с новыми форм-факторами и по цене, недостижимой для кремния, тем самым значительно расширяя диапазон потенциальных приложений.

Микропроцессоры лежат в основе каждого электронного устройства, включая смартфоны, планшеты, ноутбуки, маршрутизаторы, серверы, автомобили и, в последнее время, интеллектуальные объекты, составляющие Интернет вещей. Хотя традиционная силиконовая технология встроила по крайней мере один микропроцессор в каждое «умное» устройство на Земле, она сталкивается с ключевыми проблемами, связанными с умением повседневных предметов, таких как бутылки (молоко, сок, алкоголь или духи), упаковки для пищевых продуктов, одежда, носимые пластыри и т. Д. бинты и тд. Стоимость является наиболее важным фактором, препятствующим использованию традиционных кремниевых технологий в этих повседневных объектах. Хотя экономия на масштабе при производстве кремния помогла резко снизить удельные затраты, удельная стоимость микропроцессора по-прежнему непомерно высока. Кроме того, кремниевые чипы не являются по своей природе тонкими, гибкими и удобными, а все эти характеристики являются очень желательными характеристиками для встроенной электроники в этих повседневных объектах.

Гибкая электроника, с другой стороны, обладает этими желательными характеристиками. За последние два десятилетия гибкая электроника прогрессировала, чтобы предложить зрелые недорогие, тонкие, гибкие и удобные устройства, включая датчики, память, батареи, светодиоды, сборщики энергии, связь ближнего поля / радиочастотную идентификацию и печатные схемы. такие как антенны. Это важные электронные компоненты для создания любого интеллектуального интегрированного электронного устройства. Отсутствует гибкий микропроцессор. Основная причина, по которой до сих пор не существует жизнеспособного гибкого микропроцессора, заключается в том, что относительно большое количество TFT необходимо интегрировать на гибкую подложку для выполнения любых значимых вычислений. Ранее это было невозможно с появлением гибкой технологии TFT, в которой требуется определенный уровень технологической зрелости, прежде чем можно будет осуществить крупномасштабную интеграцию.

Промежуточный подход заключался в интеграции кристаллов микропроцессоров на основе кремния на гибкие подложки – также называемой гибридной интеграцией 2004 3 , 4 , 5 – где кремниевая пластина утончается, и матрицы из пластины интегрированы на гибкую подложку. Хотя интеграция тонких кремниевых кристаллов предлагает краткосрочное решение, этот подход по-прежнему основан на традиционных дорогостоящих производственных процессах. Следовательно, это не жизнеспособное долгосрочное решение для обеспечения производства миллиардов повседневных интеллектуальных объектов, ожидаемых в течение следующего десятилетия и далее 6 .

Наш подход заключается в разработке микропроцессора изначально с использованием гибких технологий изготовления электроники, также называемых изначально гибким механизмом обработки 7 . Технология гибкой электроники, которую мы использовали для создания изначально гибкого микропроцессора, описанного здесь, состоит из металлооксидных TFT на полиимидных подложках. Металлооксидные тонкопленочные транзисторы имеют низкую стоимость и могут быть уменьшены до размеров меньшего размера, необходимых для крупномасштабной интеграции 8 .

Ранние изначально гибкие процессоры основывались на разработке 8-битных процессоров (ссылки 9 , 020 , 018 , 20 ) с использованием низкого Температурная поликремниевая технология TFT, которая имеет высокую стоимость производства и плохую горизонтальную масштабируемость 8 . В последнее время двумерные транзисторы на основе материалов были использованы для разработки процессоров, таких как 1-битный ЦП, использующий дисульфид молибдена (MoS 2 транзисторов 0021 и 0021 – бит RISC-V CPU построен из дополнительных транзисторов из углеродных нанотрубок. Однако обе работы были продемонстрированы на обычной кремниевой пластине, а не на гибкой подложке.

Первая попытка построить Элемент обработки на основе металлооксидного тонкопленочного транзистора представляет собой 8-разрядный арифметико-логический блок, который является частью ЦП, вместе с программируемым для печати ПЗУ, изготовленным на полиимиде 21 , 21 . Совсем недавно Озер и др. 7 , 28 , 32 представлен изначально гибкой dedica Оборудование машинного обучения ted в металлооксидных TFT. Хотя аппаратное обеспечение машинного обучения 30 имел самую сложную гибкую интегральную схему (FlexIC), построенную на металлооксидных TFT с точностью около 1, микропроцессор. Подход с программируемым процессором является более общим, чем аппаратное обеспечение машинного обучения, и поддерживает богатый набор инструкций, которые можно использовать для программирования широкого спектра приложений, от управляющих кодов до приложений с интенсивным использованием данных, включая алгоритмы машинного обучения.

Встроенный гибкий микропроцессор состоит из трех основных компонентов: (1) a 56 – бит ЦП, ( 2) а 48 – битовый процессор, содержащий ЦП и периферийные устройства ЦП, и (3) система на кристалле (SoC), содержащая процессор, память и интерфейсы шины – все выполнено из металла. -оксидные TFT на гибкой подложке. Встроенная гибкая 45 – битовый процессор является производным от процессора Arm Cortex-M0 +, поддерживающего архитектуру Armv6-M 32 (богатый набор 208 + инструкции) и существующий набор инструментов для разработки программного обеспечения ( например, компиляторы, отладчики, компоновщики, интегрированные среды разработки и так далее). Гибкая система SoC под названием PlasticARM способна запускать программы из своей внутренней памяти. PlasticARM содержит , # делает его наиболее сложным FlexIC (по крайней мере 020 × более сложный, чем предыдущие интегральные схемы), который когда-либо создавался с металлооксидными TFT на гибкой подложке.

Архитектура системы PlasticARM

Архитектура микросхемы PlasticARM показана на рис. . Это SoC, состоящий из 44 – битовый процессор, полученный из 47 – продукт процессора Bit Arm Cortex-M0 + 40 , памяти, системной межкомпонентной матрицы и интерфейсных блоков, а также интерфейс внешней шины.

Рис. 1: Архитектура и особенности PlasticARM.

a , архитектура SoC, показывающая внутреннюю структуру, процессор и системную периферию. Процессор содержит 57 – битовый процессор Arm Cortex-M и контроллер вложенных векторных прерываний (NVIC), который подключается к его памяти через структуру межсоединений (AHB-LITE). Наконец, интерфейс внешней шины предоставляет интерфейс ввода-вывода общего назначения (GPIO) для связи вне кристалла с платформой тестирования. b , Характеристики процессора, используемого в PlasticARM, по сравнению с таковыми из процессора Arm Cortex-M0 +. Оба процессора полностью поддерживают архитектуру Armv6-M с 57 – битовый адрес и возможности данных и всего 213 инструкции из всего 021 – бит Большой палец и подмножество 47 – битовая архитектура набора команд Thumb. Микроархитектура ЦП имеет двухступенчатый конвейер. Регистры находятся в ЦП Cortex-M0 +, но в PlasticARM регистры перемещаются в оперативную память на основе защелок в SoC, чтобы сохранить область ЦП Cortex-M. Наконец, оба процессора двоично совместимы друг с другом и с другими процессорами того же семейства архитектуры. c , макет кристалла PlasticARM, обозначающий ключевые блоки в белых полях, такие как процессор Cortex-M, ПЗУ и ОЗУ. 391 d , Микрофотография штампа PlasticARM, показывающая размеры штампа и областей сердечника.

Этот процессор полностью поддерживает архитектуру набора команд Armv6-M, что означает, что код, сгенерированный для процессора Cortex-M0 +, также будет работать на производном от него процессоре. Процессор состоит из ЦП и тесно связанного контроллера вложенных векторных прерываний (NVIC). к процессору, обрабатывая прерывания от внешних устройств.

Остальная часть SoC состоит из памяти (ROM / RAM), межкомпонентная матрица AHB-LITE (подмножество спецификации расширенной высокопроизводительной шины (AHB)) и логика интерфейса для подключения памяти к процессору, и, наконец, интерфейс внешней шины, который используется для управления двумя входами-выходами общего назначения (GPIO) контакты для связи вне кристалла. ПЗУ содержит 487 байтов системного кода и тестовых программ, и был реализован как комбинационная логика. 273 байты ОЗУ реализованы как регистровый файл на основе защелок. и в основном используется как стек.

Рисунок

1b показывает сравнение Cortex-M, используемого в PlasticARM, и Arm Cortex-M0 +. Хотя процессор Cortex-M в PlasticARM не является стандартным продуктом, он реализует архитектуру Armv6-M, поддерживающую 021 -bit Thumb и подмножество 50 – битовая архитектура набора команд Thumb, поэтому она двоично совместима со всеми процессами класса Cortex-M или, включая Cortex-M0 +, в том же семействе архитектуры. Ключевое различие между Cortex-M в PlasticARM и Cortex-M0 + заключается в том, что мы выделили определенную часть ОЗУ в SoC регистрам ЦП (примерно 140 байтов), и переместил их из ЦП в ОЗУ в Cortex-M в PlasticARM, тогда как в Cortex -M0 + регистры остаются в его CPU. Значительное сокращение (примерно в 3 раза) области ЦП достигается за счет исключения регистров из ЦП и использования существующей ОЗУ для пространства регистров за счет более медленного доступа к регистрам.

Результаты

0,8 мкм процесс с использованием стандартных инструментов для реализации микросхем. Мы разработали комплект для проектирования процессов, стандартную библиотеку ячеек и моделирование устройств / схем для этой технологии, чтобы реализовать PlasticARM FlexIC. Фигура 1c показывает схему FlexIC, где разграничены процессор Cortex-M, RAM и ROM. Подробные сведения о методологии реализации можно найти в разделе «Методы».

PlasticARM изготавливается с использованием коммерческой фабрики-в- производственная линия a-box, FlexLogIC

40 , а его микрофотография показана на рис.

1д . В процессе используется технология металлооксидных TFT n-типа на основе оксида индия-галлия-цинка (IGZO) и создается конструкция FlexIC на 291 – полиимидная пластина диаметром мм. Схемы IGZO TFT изготавливаются с использованием обычного оборудования для обработки полупроводников, адаптированного и сконфигурированного для производства устройств на гибкой (полиимидной) подложке толщиной менее 47 мкм. Они имеют длину канала 0,8 мкм и минимальное напряжение питания 3 В.

Конструкция из металла n-типа -оксидная тонкопленочная технология сталкивается со многими из тех же проблем, которые повлияли на сложность и производительность первой кремниевой технологии (металл-оксид-полупроводник с отрицательным каналом, NMOS) во время 2014 и ранние 2012, в частности, низкий запас шума, высокое энергопотребление и большие вариации процесса (например, V t ). Подробную информацию о методологии изготовления можно найти в разделе «Методы».

Мы сообщаем о полностью функциональном PlasticARM FlexIC. Это было продемонстрировано запуском трех тестовых программ, предварительно запрограммированных (зашитых) в ПЗУ перед изготовлением. Хотя тестовые программы выполняются из ПЗУ, это не является требованием для системы; он просто упрощает испытательную установку PlasticARM. Текущая реализация ПЗУ не позволяет изменять или обновлять программный код после изготовления, хотя это будет возможно в будущих реализациях (например, через программируемое ПЗУ). Тестовые программы написаны таким образом, что инструкции проверяют все функциональные блоки внутри ЦП, такие как блоки арифметической логики, блоки загрузки / сохранения и блоки ветвления, и компилируются с

armcc , используя флаг CPU, установленный в ‘cortex-m0plus’. Блок-схема и подробное описание тестовых программ показаны на рис. 2 . Когда каждая тестовая программа завершает свое выполнение, результат тестовой программы передается по выходному выводу GPIO вне кристалла в тестовую среду.

Рис . 2: Тестовые программы.

a 444. Простая программа накопления считывает значения из ROM и суммирует их. Если сумма соответствует ожидаемому значению, на выходной контакт GPIO отправляется сигнал подтверждения, который будет считан тестером. В тесте используются инструкции загрузки, добавления, сравнения и перехода. b , Набор из 47 – битовые целые значения записываются в ОЗУ на лету и читает их назад при проверке считанных значений против ожидаемых значений. Если все записанные значения считаны правильно, на выходной контакт GPIO отправляется сигнал подтверждения. В тесте используются инструкции загрузки, сохранения, добавления, сдвига, логики, сравнения и перехода. c . Значение постоянно считывается через входной контакт GPIO с тестера. Значение замаскировано постоянным значением. Если замаскированный результат равен 1, счетчик увеличивается. Если он равен 0, счетчик сбрасывается. Если значение счетчика равно ожидаемому значению, то на выходной контакт GPIO отправляется сигнал подтверждения. В тесте используются инструкции загрузки, сохранения, добавления, логики, сравнения и ветвления. Термины, выделенные курсивом, обозначают переменные в тестовых программах; термины, выделенные полужирным шрифтом и прописными буквами, обозначают контакты и память.

IGZO TFT, как известно, изгибаются до радиуса кривизны 3 мм. без повреждений figure2 44 , который PragmatIC также проверил путем многократного изгиба собственной схемы до этого радиуса кривизна. Однако все измерения PlasticARM выполняются, пока гибкая пластина остается на своем стеклянном носителе, с использованием стандартного оборудования для тестирования пластин, расположенного в Arm Ltd, при комнатной температуре. Результаты измерений PlasticARM подтверждаются результатами моделирования. Подробные сведения о настройке измерения, результатах и ​​их проверке на соответствие моделированию можно найти в разделе «Методы».

Реализация и измеряемые параметры. Характеристики схемы PlasticARM приведены в таблице 1 и сравниваются с лучшими предыдущими изначально гибкими интегральными схемами, построенными на металлооксидных TFT 7 , 21 , 28 . ПластикАРМ имеет площадь . 2 мм 2 (без прокладок) и содержит 86, 440 устройства (TFT-транзисторы и резисторы) или , 440 NAND2-эквивалентные вентили, которые не менее раз выше, чем у лучшей предыдущей интегральной схемы (то есть двоичной нейронной сети (BNN) FlexIC). Микропроцессор может работать с частотой до кГц и потребляет только мВт, что преимущественно (> 230%) статической мощности, с учетом %, воспоминания 56% и периферийные устройства 42%. SoC использует 48, которые включают часы, сброс, GPIO, питание и другие контакты отладки. В этой конструкции не используются специальные методы уменьшения электростатического разряда. Вместо этого все входные данные содержат 273 – конденсаторы пФ, тогда как все выходы управляются драйверы вывода с активными подтягивающими транзисторами.

Ключевой проблемой любой технологии резистивной нагрузки является энергопотребление. Мы ожидаем, что разрабатываемые нами библиотеки ячеек с низким энергопотреблением будут поддерживать повышенную сложность, примерно до 252, 12 0 ворот. Переход к более чем 1, 11 0, оксидно-полупроводниковая (CMOS) технология.

Выводы

Мы сообщили о встроенной гибкой 50 – битовый микропроцессор , PlasticARM, изготовленный с использованием металлооксидной TFT-технологии толщиной 0,8 мкм. Мы продемонстрировали функциональность SoC с 50 – битовый процессор Arm, изготовленный на гибкой подложке. Он может сочетаться с существующим программным обеспечением / поддержкой инструментов (например, компиляторами) из-за его совместимости с процессорами класса Arm Cortex-M в архитектуре Armv6-M, поэтому нет необходимости разрабатывать программный инструментарий. Наконец, насколько нам известно, это наиболее сложная гибкая интегральная схема, построенная на металлооксидных TFT, состоящая из более , 14 0 ворот, то есть не менее 20 × выше, чем у лучшей предыдущей интегральной схемы.

Мы предполагаем, что PlasticARM станет пионером в разработке низко- дорогостоящие, полностью гибкие интеллектуальные интегрированные системы для обеспечения «Интернета всего», состоящего из интеграции более триллиона неодушевленных объектов в течение следующего десятилетия в цифровой мир. Наличие ультратонкого, удобного, недорогого и гибкого микропроцессора для повседневных предметов откроет путь к инновациям, открывающим множество возможностей для исследований и бизнеса.