9 月 30 日消息 最近一段时间,英国芯片厂商 PragmatIC 开始频繁出现在行业的视线中。该公司先是与 Arm 合作在学术顶刊 Nature 上发表了基于 Arm Cortex-M0 的柔性片上系统(SoC),之后又开始制造曾用于任天堂 FC 游戏机、Apple I 电脑、文曲星学习机的 6502 处理器柔性版。

和传统芯片不同,PragmatIC 制造的柔性芯片可以建立在纸、塑料或金属箔等基板上,其成本和薄厚都优于现有芯片。事实上,PragmatIC 的柔性集成电路(FlexIC)生产周期最短不到一天,每年可生产数十亿片,远超传统晶圆厂生产效率。

6502 处理器创造者之一的 Bill Mensch 也在采访中表达了对柔性 6502 处理器的兴奋和激动。他认为这使 6502 处理器焕发了新的活力。芯东西将起底这家频繁露脸的柔性芯片厂商,揭示柔性芯片的行业潜力。

和 Arm 登 Nature,在塑料上造苹果电脑芯片:这家芯片创企背后有华人科学家-风君子博客

▲ 6502 处理器的共同创造者 Bill Mensch

一、PragmatIC 前身来自曼彻斯特大学

如果要回顾 PragmatIC 的创建历史,还要从一位中国学者讲起。1995 年,宋爱民从中科院半导体所取得博士学位。博士毕业后,他辗转于英国格拉斯哥大学、德国慕尼黑大学和瑞典隆德大学。2002 年宋爱民在曼彻斯特大学任讲师职位,4 年后,38 岁的他被破格升为终身教授。

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▲ 曼彻斯特大学教授宋爱民

宋爱民的研究重点就是新型纳米电子器件和可印刷薄膜电子学。2006 年,他所带领的研究小组拆分,成立了 Plastic ePrint 公司,专注于单层晶体管印刷系统。后来,这家公司改名为 Nano ePrint。

根据曼彻斯特大学孵化器的介绍,Nano ePrint 的产品可用于电子贺卡、智能包装、电子品牌等,并有在医疗、消费等领域应用的潜力。

2009 年,Nano ePrint 已实现了传统印刷电子产品 10 倍以上的性能和 100 倍以上的晶体管密度。因此,该公司获得了英国西北地区发展署(NWDA)的资助。时任 Nano ePrint 首席执行官的 Scott White 评论道:“这项特殊的资助突出了 Nano ePrint 方法的新颖性以及我们的印刷可编程逻辑架构带来的巨大市场机会。”

Nano ePrint 主要使用氧化锌等金属氧化物作为半导体材料,PET 薄膜作为柔性基材,利用纳米压印光刻技术来制造平面晶体管和二极管。

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▲ Nano ePrint 柔性电路原理图

这种工艺不需要介电材料或源极、漏极和栅极间的导电接触。因此简单的电路或功能单元可直接在半导体层内实现相邻器件的互连,不过复杂电路则仍需要单独的导电互连层。

2010 年 2 月,Nano ePrint 宣布与英国交互式印刷电子 Novalia 公司合作,开发生产印刷电子贺卡,该项目获得了 3 个英国地区的发展机构赞助。

二、搬到剑桥获 Arm、CPI 支持

2010 年,Scott White 和 Richard Price 又在剑桥成立了一个团队,这就是 PragmatIC。同年,PragmatIC 收购 Nano ePrint,并承接了相关业务。Scott White 称,在剑桥建立新公司将带来更多开发可能。

他说:“剑桥是印刷电子的专业中心,塑料逻辑芯片、CDT、剑桥综合知识中心和剑桥大学都位于这里。PragmatIC 在剑桥拥有一个经验丰富的核心团队,他们在印刷电子和压印技术的其他应用方面拥有丰富的经验。”

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▲ PragmatIC 的两位创始人:CEO Scott White(左)和首席技术官 Richard Price(右)

2012 年,PragmatIC 获得了英国国家高价值制造技术创新中心(CPI)的支持,得到了价值 5000 万英镑的生产设施,完善了 FlexIC(柔性集成电路)的制造流程,提升了产品产能和良率。

2015 年 1 月,PragmatIC 获得剑桥创新资本和 Arm 的融资。当时的 Arm 首席技术官 Mike Muller 说:“我们支持 PragmatIC,因为它们有可能显着扩展嵌入式智能的外形和经济性范围。我们看到了以极低的成本在日常物品中嵌入连接性和计算能力的特别令人信服的可能性。”

在获得了 Arm 和剑桥创新资本投资后,PragmatIC 发展逐渐走向了快车道。同年 3 月,PragmatIC 和 IMEC 等 6 家公司联手组成了 PING(印刷智能 NFC 游戏卡和包装)联盟,将柔性电子产品带入了主流市场。

该联盟计划在 3 年内建立标准化的低成本和大批量制造流程,将无线识别和电力传输技术其纳入到纸、塑料、包装等柔性材料中。PragmatIC 在这个联盟中主要负责将薄膜技术、柔性芯片设计和自己的大规模柔性制造工艺相结合,为实现“物联网”铺平道路。

三、Arm、IMEC 纷纷入局,已实现个人电脑芯片柔性化

今年 7 月,Arm 和 PragmatIC 合作的论文发表在了 Nature 上,其研究能够将数十亿个低成本、柔性芯片嵌入到日常用品中。双方一起制造了一种基于 Arm Cortex-M0 的柔性 SoC PlasticARM。

这颗 SoC 面积为 59.2mm2,时钟频率最高可达 29KHz,功耗仅为 21mW。PlasticARM 采用了薄膜晶体管(TFT),制程为 0.8μm,可以弯曲到曲率半径为 3mm 的程度。

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▲ PlasticARM 示意图

研究人员称,PlasticARM 拥有超过 18000 个逻辑门,比之前的柔性集成电路高 12 倍,是迄今为止最复杂的柔性集成电路。而在 PlasticARM 的基础上,人们可以构建低成本、可弯曲的智能集成系统,实现真正的“万物互联”。

论文发表的两天后,Arm 和 PragmatIC 称,双方正在开发用于可穿戴设备的低成本、柔性心脏监测器,其单颗监测器的生产成本只有几美分

8 月,PragmatIC 宣布已制造了 6502 处理器的柔性版本,进一步推动了柔性处理器的应用前景。6502 处理器是一款标志性的处理器,于 1975 年代推出。乔布斯的第一款电脑 Apple-1 就采用了这款芯片

之后,6502 处理器又被 Apple II、任天堂 FC 游戏机等设备所采用,国内的文曲星学习机也使用了这一款芯片。

PragmatIC 称,柔性 6502 研发出来不到两周,就已经进行了第二次迭代,以优化引脚排列、占位面积等。这样的速度对于传统的硅基芯片来说几乎是不可能的,展示了 FlexIC Foundry“改变游戏规则”的能力。

6502 处理器的共创创始人 Bill Mensch 认为,PragmatIC 所做的事情与当时 6502 处理器刚刚研发出来一样具有变革性。

PragmatIC CEO Scott White 称,他最感兴趣的是为往常不会和电子联系起来的事物添加新功能和交互性。当前物联网市场看好的射频识别(RFID)就是一个很好的例子。

该技术可以为数十亿产品添加唯一的无线识别 ID,可以改善库存控制。PragmatIC 还可以将 RFID 扩展到更广泛的日常用品中,比如利用这一技术对塑料瓶进行再利用和回收、对药品进行跟踪确保安全等。

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▲ 从手机上进行追踪

由于柔性电子学的巨大前景,斯坦福大学、IMEC、Arm 等高校和公司都在研发柔性芯片。

而和 PragmatIC 渊源颇深的华人学者宋爱民也在 2010 年创办了济南嘉源电子有限公司,专注于薄膜显示屏、智能包装等。当前该公司已拥有专利 40 余项,拥有完全自主知识产权的 CFD 薄膜显示屏,具有可任意弯曲对折、待机时间长等特性。

结语:柔性芯片或可缓解芯片短缺

低成本的柔性芯片可以为万物联网提供基础,让饮料瓶、食品包装、服装、绷带、可穿戴设备等日常用品实现智能化。

另一方面,在全球缺芯的当下,传统晶圆厂建设周期长达 2-3 年。而 FlexIC Foundry 的建设周期仅为 12 个月,生产效率也远超传统晶圆厂。当前短缺的芯片大部分基于成熟制程,应用于物联网、汽车等领域。

对于物联网领域中的低成本芯片来说,柔性集成电路生产工艺可以有效地降低其成本、缩短投产周期。未来,柔性芯片工艺制程如果进一步提升,或许会对行业造成冲击,改变很多芯片的生产模式。