Блог компании Timeweb Cloud. 30–40 лет назад, когда персональные компьютеры были ещё в новинку, а интернета как такового не было, пионеры вычислительной технологии предсказывали, что в будущем электронные чипы станут настолько дешёвыми, что они будут повсюду — в домах, в транспорте, даже в человеческом теле.

Для того времени эта идея казалась фантастической, даже абсурдной. ПК тогда были очень дороги и в большинстве своём даже не подключались к интернету. Мысль о том, что миллиарды крохотных чипов когда-нибудь станут дешевле семечек, казалось нелепой.

Десятилетиями технари обещают мир, где абсолютно каждый объект, с которым мы будем сталкиваться — мебель, посуда, одежда — будет обладать «умом» благодаря сверхдешёвым программируемым процессорам. Если вам интересно, почему этого до сих пор не произошло, то это потому, что никто не построил работающие процессоры, которые можно было бы производить миллиардами стоимостью в 1 цент каждый.

Со временем абсолютно всё вокруг нас станет «умным». Производители, не сделавшие свою продукцию «умной», в какой-то момент будут вытеснены с рынка конкурентами, которые успели это сделать. Одним из путей добиться таких дешёвых микропроцессоров, являются микрочипы из пластика.

Почти 50 лет назад Intel создала первый в мире серийно выпускаемый микропроцессор — 4004, скромный 4-битный ЦП с 2300 транзисторами, изготовленными по технологии 10 мкм из кремния и способным выполнять только простые арифметические операции. С момента этого новаторского достижения происходило непрерывное технологическое развитие с возрастающей сложностью до такой степени, что современные кремниевые 64-разрядные микропроцессоры теперь имеют 30 миллиардов транзисторов (например, микропроцессор AWS Graviton2, изготовленный по техпроцессу 7 нм). Микропроцессоры настолько укоренились в нашей жизни, что стали метаизобретением, то есть инструментом, позволяющим реализовать другие изобретения.

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 кремниевая технология включает в себя как минимум один микропроцессор, встроенный в каждое «умное» устройство на Земле, она сталкивается с ключевыми проблемами, чтобы сделать повседневные предметы умнее.

Стоимость является наиболее важным фактором, препятствующим применению традиционной кремниевой технологии в этих повседневных предметах. Хотя экономия за счёт масштаба производства кремния помогла резко снизить себестоимость единицы продукции, себестоимость единицы микропроцессора по-прежнему непомерно высока. Кроме того, кремниевые чипы не являются естественно тонкими и гибкими, что является очень желательными характеристиками для встроенной электроники в эти предметы повседневного обихода.

С другой стороны, гибкая электроника предлагает эти желательные характеристики. За последние два десятилетия эта технология продвинулась вперед, предлагая недорогие, тонкие, гибкие и удобные устройства, включая датчики, память, батареи, светоизлучающие диоды, сборщики энергии и печатные схемы. Это основные компоненты для создания любого интеллектуального интегрированного электронного устройства. Недостающим элементом является гибкий микропроцессор. Основная причина, по которой до сих пор не существует жизнеспособного гибкого микропроцессора, заключается в том, что относительно большое количество тонкоплёночных транзисторов (TFT) необходимо интегрировать на гибкой подложке для выполнения каких-либо значимых вычислений.

Микропроцессор PlasticARM

Например, в 2021 году компания Arm воспроизвела свой простейший 32-битный микроконтроллер M0 из пластика, но даже это не могло соответствовать требованиям. Проблема, по мнению инженеров Иллинойсского университета Урбана-Шампейн и британского производителя гибкой электроники PragmatIC Semiconductor, заключается в том, что даже самые простые микроконтроллеры промышленного стандарта слишком сложны, чтобы изготавливать их из пластика массово.

В отличие от обычных полупроводниковых устройств, гибкие электронные устройства строятся на подложках, таких как бумага, пластик или металлическая фольга, и используют активные тонкоплёночные полупроводниковые материалы, такие как органические соединения, оксиды металлов или аморфный кремний. Они предлагают ряд преимуществ по сравнению с кристаллическим кремнием, включая низкие производственные затраты.

Тонкоплёночные транзисторы (TFT) могут быть изготовлены на гибких подложках при гораздо меньших затратах на обработку, чем полевые транзисторы «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET), изготовленные на кристаллических кремниевых пластинах. Цель технологии TFT не в том, чтобы заменить кремний. Поскольку обе технологии продолжают развиваться, вполне вероятно, что кремний сохранит преимущества с точки зрения производительности, плотности и энергоэффективности. А TFT позволят создавать электронные продукты с новыми форм-факторами и стоимостью, недостижимой для кремния, тем самым значительно расширяя диапазон потенциальных приложений.

Микропроцессоры с разрядностью 8-бит и 4-бит соответственно

Промежуточный подход заключается в интеграции микропроцессорных кристаллов на основе кремния в гибкие подложки, что также называется гибридной интеграцией, когда кремниевая пластина утончается, а кристаллы из пластины интегрируются в гибкую подложку. Хотя интеграция тонкого кремниевого кристалла предлагает краткосрочное решение, этот подход по-прежнему опирается на традиционные дорогостоящие производственные процессы. Следовательно, это не жизнеспособное долгосрочное решение, позволяющее производить миллиарды повседневных смарт-объектов, которые ожидаются в следующем десятилетии и далее.

В исследовании, которое будет представлено на Международном симпозиуме по компьютерной архитектуре ISCA 2022, трансатлантическая команда представляет простой, но полнофункциональный пластиковый процессор, который можно изготовить по цене менее 1 цента.