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PlasticArm ist ein biegsamer 32-Bit-Prozessor

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plasticarmFlexible Elektronik ist im wahrsten Sinne des Wortes ein dehnbarer Begriff. Je nach Integrationsdichte der Elektronik kommen schon einmal gebogene PCBs zum Einsatz oder Leiterbahnen werden über flexible Bänder geführt, damit der Akku, der sich auf der anderen Seite einer Rundung befindet, die restliche Hardware versorgen kann. Selbst biegsame Chips sind keine Neuheit und dennoch ist das, was Arm nun mit dem PlasticArm gezeigt hat, noch einmal ein anderes Level.

Sollte es ein bestimmter Anwendungsbereich voraussetzen, dass integrierte Schaltkreise keinen flachen und zweidimensionalen Aufbau einhalten können, konnten Chips bereits ein mehrere Bereiche aufgeteilt und über ein flexibles Polymer miteinander verbunden werden. Doch dies wirkte dem Anspruch der integrierten Elektronik entgegen und der Platzbedarf ist deutlich größer im Vergleich zu einem einzelnen Chip, der die gleiche Funktionsweise erfüllt.

Also überlegten sich Wissenschaftler Möglichkeiten, wie ein Halbleitermaterial auf einem flexiblen Material aufgebracht werden könnte. Für die hier verwendeten Materialien konnte aber noch nicht der richtige Kompromiss zur Flexibilität gefunden werden. Amorphen Silizium könnte hier einspringen, denn es wird beispielsweise für flexible Displays bereits genutzt. Man kennt das Material also, dessen Eigenschaften und besonders teuer ist es auch nicht. Aber in amorphen Silizium können bei weitem nicht die Effizienz, Leistung und Packdichte erreicht werden, wie wir dies von kristallinem Silizium kennen.

Letztendlich entschieden hat man sich für ein IGZO (Indium-Gallium-Zink-Oxid) mit einem Typ-N-Metalloxid (IGZO-TFT) auf einem Polyamide-Wafer. Die Fertigung findet in FlexIC 800 nm statt. Damit wird der eigentlich kleine Chip extrem groß, wie wir später noch sehen werden.

Zusammen mit PragmatIC Semiconductor hat Arm die Materialentwicklung in diesem Bereich zur Hand genommen und den PlasticArm entwickelt. Bei diesem handelt es sich um Cortex M0+, also einen 32-Bit-Prozessor (ARMv6-M) mit einem recht einfachen Subset an Funktionen. Das Design ist auf eine geringe Leistungsaufnahme hin optimiert und wird als Embedded-IP in größere SoCs integriert. Der erste Chip wurde bereits am 27. Oktober 2020 gefertigt.

Der PlasticArm hat nur 128 Byte an Arbeitsspeicher. Die Register sind direkt in diesen Arbeitsspeicher integriert, was man für leistungsstärkere Prozessoren nicht machen würde, da man die Register so nahe wie möglich an den Kernen benötigt. Auch die 456 Byte an ROM liegen direkt neben dem M0-Kern und können aktuell nur gelesen, nicht aber beschrieben werden. Die Logik des Chips selbst misst 7,856 x 7,536 mm (59,2 mm²), das gesamte Package kommt auf 9 x 9 mm.

Der Prozessor, also der M0-Kern, das RAM, ROM und die Interconnects sind aus IGZO-TFT hergestellt worden, welches sich wieder auf einem flexiblen Polymer befindet. Das abgespeckte Design geht Hand in Hand mit den Einschränkungen durch das verwendete Halbleitermaterial. So taktet der Prozessor mit nur 29 kHz (ja, Kilohertz!) und verbraucht 20 mW. In einem Standard-Design kommt ein M0 auf mehrere Megahertz und verbraucht nur wenige Microwatt. Dies zeigt die Einschränkungen durch die Verwendung des IGZO-TFT sicherlich am deutlichsten. Mit 18.000 Gattern im M0-Kern ist der PlasticArm aber deutlich komplexer als alles andere, was bisher in einem solchen Design entworfen wurde.

In einem nächsten Schritt soll die Leistungsaufnahme des PlasticArm reduziert werden. Zudem will man die Komplexität auf über 100.000 Gatter erhöhen. In der Suche nach technischen Lösungen kommt man hier also Schritt für Schritt voran. Weniger deutlich wird eine konkrete Anwendung eines solchen flexiblen Prozessors. Sogenannte Wearables können auch schon mit heutiger Technik konstruiert und gefertigt werden. Sollte diese jedoch in ihrer Größe schrumpfen, könnten dies die ersten Anwendungen für einen flexiblen Chip sein. 

Übrigens: Eines haben die Wissenschafter laut Nature noch nicht wirklich ausprobiert – sie haben ihn nie wirklich gebogen!