PlasticArm SoC coloca Arm Cortex-M0 en un sustrato flexible

Un artículo de investigación publicado esta semana en Nature por Cambridge, Arm Research y PragmatIC, con sede en el Reino Unido, detalla PlasticArm, un sistema flexible basado en Arm Cortex-M0 en un chip (SoC) fabricado con transistores de película delgada (TFT) sobre un sustrato flexible.

Si bien esta aún no es una solución comercial, tiene un gran potencial para incluir microprocesadores y, por lo tanto, inteligencia en muchos productos cotidianos. “A medida que los microprocesadores de muy bajo costo se vuelvan comercialmente viables, se abrirán todo tipo de mercados con casos de uso interesantes como sensores inteligentes, etiquetas inteligentes y empaques”, John Biggs, uno de los autores del artículo, un distinguido ingeniero de Arm Research, Smart.Los productos que utilizan estos dispositivos pueden ayudar con la sostenibilidad al reducir el desperdicio de alimentos y promover una economía circular a través del seguimiento inteligente del ciclo de vida.Personalmente, creo que el mayor impacto podría estar en la atención médica: esta tecnología realmente se está prestando a la supervisión de edificios Systems Healthy Smart desechable se puede aplicar directamente sobre la piel.

Los dispositivos electrónicos flexibles, a diferencia de los dispositivos semiconductores tradicionales, se construyen sobre sustratos alternativos como papel, plástico o láminas metálicas. Al usar materiales semiconductores de película delgada como orgánicos, óxidos metálicos o silicio amorfo, ofrecen propiedades que no están disponibles en el silicio, incluida la delgadez, la compatibilidad y los bajos costos de fabricación. Los TFT se pueden fabricar en sustratos flexibles a un costo de procesamiento mucho menor que los transistores de efecto de campo semiconductores basados ​​en metal (MOSFET) fabricados en obleas de silicio cristalino.

El EE Times habló con uno de los otros coautores del artículo, Katherine Ramsdale, quien es la vicepresidenta senior de tecnología de PragmatIC. Ella explicó: «Esto es básicamente una prueba de concepto, que muestra lo que se puede hacer y la complejidad que se puede lograr. Hemos estado trabajando con Arm desde 2013, y ahora podemos decir que la tecnología está en un cierto nivel de madurez donde se puede lograr el número de puertas y el ecosistema está en su lugar «.

Arm Research y PragmatIC comenzaron a explorar la viabilidad de utilizar un procesador flexible basado en brazo en 2013, comenzando con la construcción de prototipos de circuitos, incluidos osciladores de anillo, contadores y matrices de registros de desplazamiento. Si bien se han creado prototipos de algunos componentes flexibles, como sensores, memorias, diodos emisores de luz y más, el microprocesador flexible ha sido hasta ahora un impedimento importante para lograr una electrónica totalmente flexible.

Cuando el sistema de fabricación PragmatIC FlexLogIC estuvo disponible unos años más tarde, junto con los avances en Proyecto PlasticArmPit.Según Arm, que utiliza la misma biblioteca de células, flujo de herramientas y tecnología de procesamiento, todas las piezas del rompecabezas se colocan en su lugar. Los equipos de las dos empresas decidieron que era un buen momento para volver a intentarlo y, el 27 de octubre de 2020, anunciaron que se había producido el primer procesador sin silicio completamente funcional del mundo, PlasticArm.

Aunque PlasticArm es un SoC muy simplista basado en el Cortex-M0, con solo 128 bytes de RAM y 456 bytes de ROM, es doce veces más complejo que la última electrónica flexible anterior. Los detalles de este desarrollo se proporcionan en el documento, «Microprocesador de brazo flexible original de 32 bits«.

Le preguntamos a Ramsdale sobre algunos de los desafíos en el desarrollo de PlasticArm. «Gran parte del trabajo inicial consistió en asegurarnos de que hablábamos el mismo idioma: por ejemplo, Arm hablaba de circuitos más grandes mientras nos referíamos a circuitos más pequeños. Necesitábamos asegurarnos de que la co-optimización del proceso de diseño funcionara». . estándar que utilizaría un diseñador de silicona «.

«Luego, equipamos a Arm con el PDK, que implementaron en sus herramientas. Nuestra parte de este rompecabezas es permitir y garantizar la captura precisa de todas las reglas de diseño para nuestro proceso y garantizar la redundancia con la caja FlexLogIC». Añadió: «A lo que hemos llegado ahora es a comprobar hasta dónde hemos llegado con FlexLogIC: para producir algo de este tamaño, no solo para chips RFID».

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Hay tres componentes principales en un microprocesador flexible de forma nativa: una CPU de 32 bits, un procesador de 32 bits que contiene la CPU y el periférico de la CPU, y un sistema en chip (SoC) que contiene el procesador, las memorias y el bus. interfaces: todas fabricadas con TFT de óxido metálico sobre un sustrato flexible. El procesador flexible se deriva originalmente de 32 bits del procesador Arm Cortex-M0 + que admite la arquitectura Armv6-M (un rico conjunto de más de 80 instrucciones) y el conjunto de herramientas actual para el desarrollo de software (ensambladores, depuradores, conectores, IDE).

Un SoC totalmente flexible, llamado PlasticARM, puede ejecutar programas desde su memoria interna. Tiene 18,334 puertas equivalentes a NAND, lo que lo hace más complejo que un FlexIC (al menos 12 veces más complejo que los circuitos integrados anteriores) jamás construido con un TFT de óxido de metal sobre un sustrato flexible.

Este procesador es totalmente compatible con la arquitectura del conjunto de instrucciones Armv6-M, lo que significa que el código generado para el procesador Cortex-M0 + también funcionará en el procesador derivado de él. Un procesador consta de una CPU y un controlador de interrupciones anidado (NVIC) que está estrechamente acoplado a la CPU y maneja las interrupciones de hardware externo.

El resto del SoC consta de memorias (ROM / RAM), tejido de interconexión AHB-LITE (un subconjunto de la especificación Advanced High Performance Bus (AHB)), lógica de interfaz para conectar memorias al procesador y, finalmente, una interfaz externa y un interfaz de bus utilizada para controlar dos pines de E / S de propósito general (GPIO) para la comunicación fuera del chip. La ROM contiene 456 bytes de código del sistema y programas de prueba, implementados como lógica combinatoria. 128 bytes de RAM se implementan como un archivo de registro basado en pestillos y se utilizan principalmente como una pila.

PlasticARM se implementa con un proceso PragmatIC de 0,8 µm que utiliza herramientas de implementación de chips estándar de la industria, así como un kit de diseño de procesos (PDK), biblioteca de células estándar y simulación de dispositivos / circuitos para la implementación de PlasticARM FlexIC. El SoC flexible se fabrica utilizando la línea de fabricación comercial «fab-in-a-box», FlexLogIC.

El proceso utiliza una tecnología TFT de óxido metálico de tipo n basada en óxido de indio-galio-zinc (IGZO) y produce un diseño FlexIC en una oblea de poliimida de 200 mm de diámetro. Los circuitos IGZO TFT se fabrican utilizando equipos de procesamiento de semiconductores convencionales que se han adaptado y configurado para producir dispositivos sobre un sustrato flexible (poliimida) con un espesor de menos de 30 µm. La longitud del canal es de 0,8 μm y la tensión de alimentación mínima es de 3 V.

Este artículo fue publicado originalmente E veces.

Nitin Dahad Es reportero de EE Times y EE Times Europe y también editor en jefe de embedded.com. Con 35 años en la industria de la electrónica, ha tenido muchos roles diferentes: desde ingeniero hasta periodista, desde emprendedor hasta consultor de startups y asesor gubernamental. Formó parte del equipo de inicio que lanzó la empresa de microprocesadores de 32 bits ARC International en los EE. UU. A fines de la década de 1990 y la lanzó al público, y fue cofundador de Chilli, que influyó en gran parte de la escena de inicio de tecnología a principios de la década de 2000. También ha trabajado con muchos grandes nombres, incluidos National Semiconductor, GEC Plessey Semiconductors, Dialog Semiconductor y Marconi Instruments.

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