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柔性集成电路,未来可期

随着可折叠屏幕在智能设备中的普及,柔性电子已经逐渐进入了主流视野。而在显示屏之外,柔性集成电路还有很大的潜力,本文将对此做介绍和分析。


柔性集成电路的应用


柔性电路是指在柔性基底是制造的电路,而柔性集成电路则是在柔性基底(例如聚酰亚胺,Polyimide)上实现的高集成度大规模电路。

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柔性集成电路一个显而易见的优势是可弯曲,甚至可折叠。这对于健康相关应用和可穿戴设备来说都很有用,例如可以像创可贴一样贴在用户身体上的生理信号监控产品中,使用可弯曲的柔性集成电路就很方便。


除了可弯曲之外,柔性电路的另一大优势是成本较基于硅的集成电路来说,成本要低很多。这一点,和上面的可弯曲相结合,有可能会成为下一代万物智能的重要赋能技术。提起物联网设备,大家的第一印象还是一个电子设备,售价至少要数十人民币;而在“万物智能”的设想中,生活中每一个物件都应该是智能化的,包括饮料、零食、洗衣液等等,都应该有能力可以接入物联网中,而这就对于物联网电子部分的成本、尺寸和可集成性等都提出了新的需求。而如前所述,柔性电子的两大特性则正好对应万物智能的两大需求:可弯曲的特性让柔性集成电路可以很方便地集成到不同物件的表面,例如弯曲的洗衣液屏,需要被折叠的辣条包装等等;而低成本的优势则可以让加入柔性集成电路的额外成本足够低因此可以进入海量的物件中。由此实现的“万物智能”构想则有可能比今天的物联网的智能程度更进一步,例如基于柔性集成电路的系统可以检测你的洗衣液还有多少剩余,从而在合适的时间节点给你推送需要购买的通知。而从另一个角度来看,万物智能意味着这类集成电路的出货量将比目前的手机等最主流的智能设备还要高几个数量级,其潜力巨大。

柔性电子发展现状:通信和传感已经逐渐成熟


基于薄膜(thin-film)的柔性传感以及通信集成电路已经有了很长的开发历史,目前已经逐渐接近成熟。

就传感集成电路来说,目前基于薄膜电子的柔性传感器已经可以实现压力、应力、温度等重要信号的传感能力,对于可穿戴设备这样的第一个目标应用已经有了足够的能力。但是,光有传感器本身并不具有足够的吸引力来说服用户使用柔性电子,而必须要与其他的柔性模块相配套。

柔性通信集成电路的研究时间比起柔性传感器来说稍短一些,但是目前也已经有了相当的进步。用于通信的柔性集成电路常用的是近场通信(NFC)的原理,即利用外部的射频能量来给通信系统供电并完成传输。目前,使用柔性基底实现的通信集成电路常用基于IGZO(indium gallium zinc oxide,氧化铟镓锌)的薄膜晶体管(TFT),并利用TFT来完成整流、调制、时钟产生以及相关的数字电路用于通信协议接口。一个基于TFT的柔性近场通信集成电路通常含有数千个TFT晶体管。

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在有了传感器和通信电路之后,自然就出现了不少把两者集成在一起实现实用化的柔性集成电路系统的努力,包括柔性温度传感器加NFC实现实时体温监控等;另外也有不少使用TFT实现模拟电路的研究,包括较高性能的放大器等,以提升整体柔性集成电路的性能。然而,在通信和传感之外,柔性电子目前主要的短板还是在于处理器领域,而具有高集成度的柔性处理器的出现将会将柔性电子的成熟度推上更高的一个层次。


ARM的研究补上了柔性电子处理器的空缺


最近,芯片IP巨头ARM和英国初创公司PragmatIC合作研发的基于柔性TFT的32位ARM处理器则可以说是将柔性集成电路领域的一个重要里程碑。在七月底发布在顶级科学期刊《自然》的论文中,ARM和PragmatIC则公布了该研究的一些重要信息。


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首先,该ARM处理器的完成度和复杂度非常高。它基于ARMv6-M架构外加两级流水线,可以直接跑兼容Cortex-M0的程序。在模块方面,它事实上是一个SoC,除了CPU之外,还包括了互联接口(AHB-Lite)、ROM和RAM。其等价逻辑门数高达18000,比前述的由上千个TFT组成的柔性集成电路的规模大了一个数量级。处理器的时钟频率可以达到29KHz,功耗则为21mW。


此外,在设计流程和制造工艺方面,使用了PragmatIC提供的工艺技术(FlexLogIC)。该技术使用了IGZO TFT晶体管,晶元尺寸为200mm,而晶体管沟道尺寸(特征尺寸)则为0.8um,供电电压为3V,可用的金属层数为4层。在论文中,研究者估计基于同样的TFT器件,预计可以继续进化到支持十万门数量级的柔性集成电路,离目前的万门处理器还有至少一个数量级的上升空间。PragmatIC还提供了该工艺对应的标准单元库和工艺库(SDK),其中标准单元库中提供了常见的逻辑门(反相器、与非门,寄存器等),而标准单元库和SDK搭配则可以直接兼容标准化的数字EDA流程(包括逻辑综合,布局布线和时序优化等),因此整套设计流程已经非常接近商用化。

柔性集成电路的未来


与硅基CMOS电路目前已经接近摩尔定律的瓶颈不同,柔性集成电路目前还处于摩尔定律发展曲线的初期,因此未来无论是集成度、性能还是功耗方面都可望会有很大的提升空间。根据欧洲顶尖半导体研究机构IMEC在《自然·电子学》发表的柔性集成电路的展望论文《The development of flexible integrated circuits based on thin-film transistors》,当未来的柔性集成电路的特征尺寸发展到200nm左右(即目前主流1um左右特征尺寸的五分之一到十分之一)时,其电路性能可望达到目前的20倍以上,而功耗则可以达到目前的一百分之一。到那个时候,我们可望可以看到功能更强大的柔性集成电路SoC(包括传感、处理和通信系统),从而真正赋能下一代“万物智能”时代,让智能化走入所有日常物件。

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欧洲的机构在柔性集成电路的研究领域有非常高的热情。英国芯片IP巨头ARM在柔性集成电路研究领域做了非常多的投资,并且主导了一系列具有前瞻性的研究。除了这次发表的首个柔性32位ARM处理器之外,ARM在这之前还发表了一系列基于柔性集成电路的工作,包括基于TFT的机器学习加速器等等。另外,IMEC在柔性集成电路领域也有很多重要的工作。目前,中国的TFT相关产业在显示领域有京东方这样的领军企业,拥有不错的底子,希望能在柔性集成电路领域的研究在未来几年能有更多投入,从而当柔性集成电路成为主流时,中国的相关产业也能成为领军企业。

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