プラスチックチップを1個1セント未満で製造

あなたの周りの物体が知性に満ちていると想像してください。包帯、バナナの皮、ボトルなどはすべて知性を持っています。現時点では、このようなシーンはSF映画にしか登場しません。技術が急速に発展している今日、なぜこれらすべてがまだ実現されていないのか不思議に思うかもしれません。それは、人類がまだ安価なプロセッサを開発していないからです。

世界中の IoT デバイスの数は毎年数十億単位で増加しています。これは膨大な数字のように思えるかもしれないが、実際にはこの分野の可能性ははるかに大きく、かなり高価なシリコンチップによって阻害されているのだ。解決策としては、何倍も安価なプラスチックチップを導入することが考えられます。

研究機関はこれまでもさまざまな試みを行ってきた。例えば、Armは2021年に、紙やプラスチック、布地に直接回路を印刷できる新しいプラスチックチップのプロトタイプであるPlasticArm M0を発売した。このチップは基板としてシリコンではなく、プラスチックのプロセッサコアを使用している。これはArmが10年近く研究してきたプロジェクトだが、それでもArmの研究は基準を満たすことができない。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校と英国の半導体メーカー、プラグマットICセミコンダクターのエンジニアらによると、問題は、最も単純な業界標準のマイクロコントローラーでさえ、プラスチック上で大量生産するには複雑すぎることだという。

今月下旬に開催される国際コンピュータアーキテクチャシンポジウムで、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のチームが、1セント以下の価格で製造できる、シンプルだが完全に機能するプラスチック製プロセッサを実演する予定だ。チームは 4 ビットおよび 8 ビットのプロセッサを設計しました。しかし、この研究のさらなる詳細はまだ公表されていない。

「4ビットプロセッサの約81％が動作し、1セント閾値を突破するのに十分だった」とチームリーダーのラケシュ・クマール氏は語った。

ラケシュ・クマール

クマール氏は、フレキシブル電子機器は数十年にわたって市場セグメントとなっており、チームが製造したプロセッサは、プラスチック上に構築でき、半径数ミリ以内で曲げても機能し続けるフレキシブル薄膜半導体、インジウムガリウム亜鉛酸化物（IGZO）を使用して製造されていると述べた。しかし、信頼性の高い製造は前提条件ですが、本当の違いを生み出すのは設計です。

画像ソース: https://technewsspace.com/scientists-have-developed-penny-plastic-flexicore-chips-they-promise-to-revolutionize-the-internet-of-things/

なぜシリコンではないのですか?

シリコン プロセッサをなぜ超安価に製造して柔軟なコンピューティング パフォーマンスを実現できないのかと疑問に思うかもしれません。分析の結果、クマールはこれは不可能だと考えている。シリコンはプラスチックに比べて高価で柔軟性に欠けますが、プラスチックチップを十分に小さくすれば、曲がっても機能し続けます。シリコンが失敗する理由は 2 つあります。1 つは、回路の面積を非常に小さくできるにもかかわらず、ウェハからチップを切り出すために、チップの端に比較的大きなスペースを残す必要があることです。一般的なマイクロコントローラの場合、回路を含む領域よりもチップの端の周囲のスペースの方が広くなります。さらに重要なのは、データと電力がチップに入力できるように、十分な I/O パッドを取り付けるためのスペースも必要だということです。これは、空のシリコンウェハーが無駄になることを意味します。

既存のマイクロコントローラ アーキテクチャをプラスチックに適合させるのではなく、Kumar 氏のチームは Flexicore と呼ばれる設計をゼロから作成しました。ロジック要素の数に応じてスクラップ率が増加するためです。これを踏まえて、彼らは必要なゲートの数を最小限に抑えることを目的とした代替設計を考案しました。 16 ビットまたは 32 ビットのロジックではなく、4 ビットおよび 8 ビットのロジックを使用します。それは、命令を格納するメモリとデータを格納するメモリを分離するようなものです。しかし、これによりプロセッサが実行できる命令の数と複雑さが減少します。

チームは、今日の CPU のマルチステップ パイプライン形式ではなく、単一のクロック サイクルで命令を実行するように設計することで、プロセッサの設計をさらに簡素化しました。次に、部品を再利用してこれらの命令のロジックを実装し、ゲート数をさらに削減しました。 「全体的に、計算上は単純になりがちな柔軟なアプリケーションのニーズに合わせて FlexiCore の設計を簡素化することができました」と、クマール氏の教え子であるナサニエル・ブレイヤー氏は語る。

上記の設計により、チームはわずか 2104 個の半導体デバイス (1971 年の古典的な Intel 4004 のトランジスタとほぼ同じ数) で構成される 5.6 mm^2 の 4 ビット FlexiCore チップを実現しました。一方、Arm チームが昨年開発したソフト マイクロプロセッサ PlasticARM は、約 56340 個のデバイスで構成されていました。 「ゲート数で言えば、FlexiCore は最小のシリコン マイクロコントローラよりも 1 桁小さいです」と Nathaniel Bleier 氏は述べています。

エンジニアは PragmatIC の製造プロセスを使用して、プラスチック上に 4 ビットのマイクロコントローラを作成しました。

FlexiCore には、トランジスタ数を最小限に抑え、複雑さを軽減するために最適化されたオンボード メモリと命令セットも備わっています。研究者らはまた、最小限のトランジスタを使用できるように論理要素を設計した。結局のところ、プロセッサは 1 クロック サイクルで 1 つの命令を実行するように設計されています。

チームは FlexiCore の 8 ビット バージョンも開発しましたが、パフォーマンスはそれほど良くありませんでした。

「これはまさに、真にユビキタスな電子機器をサポートするのに必要な設計革新です」と、PragmatIC Semiconductor の CEO であるスコット・ホワイト氏は述べています。

チームは PragmatIC テクノロジーを使用して、4 ビットおよび 8 ビット プロセッサを搭載したプラスチック コーティングされたウェハーを製造し、さまざまな電圧で複数の手順でテストし、容赦なく曲げました。この実験は基本的なもののように思えるかもしれないが、クマール氏によれば画期的なものだ。非シリコン技術を使用して構築されたプロセッサのほとんどは歩留まりが非常に低いため、1 個または多くても数個の動作チップからしか結果を報告できません。 「我々の知る限り、複数のチップにわたる非シリコン技術のデータが報告されるのはこれが初めてだ」とクマール氏は語った。

PragmatICは低コストチップに注力してきた

チップ業界は、ある程度の信頼性とともに、パワーとパフォーマンス指標のバランスを目指しているとクマール氏は指摘した。彼らはコスト、一貫性、ダイの薄さに重点を置いていませんでした。代わりに、新しいコンピューター アーキテクチャの構築と新しいアプリケーションのターゲット化に重点が置かれることになります。

米国ノースウェスタン大学のフレキシブルエレクトロニクスの先駆者であるジョン・A・ロジャース氏は、この研究を素晴らしいと呼び、研究のさらなる発展を期待していると述べた。

もちろん、これはこの研究でこれまでに行われた作業にすぎず、FlexiCore ソリューションや同様のソリューションが市場に出るまでにはまだ多くの作業が必要です。しかし、研究者たちはさまざまなプロセスやターゲットワークロードに合わせてソリューションを最適化しようと試み、ある程度の成功を収めています。曲げがプラスチックチップの性能や耐久性にどのような影響を与えるかについても疑問があります。

しかし、このような安価なプラスチックプロセッサやフレキシブルエレクトロニクスが主流になると、すぐに真にユビキタスなエレクトロニクスの夜明けが訪れるかもしれません。このチップは、ほぼあらゆる製品のパッケージや医療用パッチに配置でき、その応用分野はもはや制限されません。