Imec, KU Leuven en PragmatIC Semiconductor demonstreren de snelste flexibele 8-bit microprocessor voor energiezuinige toepassingen

De flexibele 8-bit-microprocessor van Imec naast een 2-euro-munt.

Screenshot van het Snake-spel in actie en tijdsaanduidingen.

Deze week presenteren imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, samen met KU Leuven en PragmatIC Semiconductor, een wereldwijd toonaangevend bedrijf voor flexibele elektronica, op de 2022 International Solid-State Circuits Conference (2022 ISSCC) de snelste 8-bits microprocessor in flexibele 0,8-µm metalloxide-technologie, die in staat is om complexe assemblercode in realtime uit te voeren. De microprocessor is gerealiseerd met een uniek digitaal ontwerpproces dat het mogelijk maakte om een nieuwe standaardcelbibliotheek te creëren voor metalloxide-dunnelaagtechnologieën, die relevant is voor de ontwikkeling van een breed scala aan IoT-toepassingen. De robuuste dunnelaagtechnologie van PragmatIC Semiconductor, de foundry-partner van imec, was de sleutel tot de integratie van ongeveer 16.000 metalloxide-dunnelaagtransistors op een flexibele chip van 24,9 mm2.

Flexibele elektronica op basis van dunne film-transistors wordt verkozen boven Si-CMOS-gebaseerde elektronica voor toepassingen die kosteneffectieve, dunne, flexibele en/of buigbare apparaten vereisen. De technologie heeft zich al bewezen, bijvoorbeeld bij sensoren voor gezondheids-patches en RFID-tags, evenals als driver voor flatpaneldisplays. Wat nu nog ontbreekt, is een flexibele microprocessor die complexere signaalverwerkingsberekeningen kan uitvoeren en zo een breed scala aan IoT-toepassingen met rekenfuncties kan uitbreiden.

Imec heeft een flexibele 8-bits microprocessor ontwikkeld in 0,8-µm Indium-Gallium-Zink-Oxide (IGZO)-transistortechnologie, die dergelijke complexe berekeningen kan uitvoeren. Kris Myny, hoofdwetenschapper bij imec: "Onze flexibele microprocessor beschikt over uitstekende eigenschappen voor IoT-toepassingen, waaronder hoge snelheid (maximale klokfrequentie van 71,4 kHz), laag energieverbruik (11,6 mW bij 10 kHz, 134,9 mW bij maximale klokfrequentie) en hoge transistorintegratiedichtheid (~16.000 transistors met 0,8 µm poortlengte op een chip van 24,9 mm2). Daarnaast zullen we op de ISSCC 2022 het foutloze functioneren van onze schakeling in realtime demonstreren door de complexe assemblercode van het populaire spel Snake uit te voeren."

Met de nieuwe microprocessor heeft imec belangrijke uitdagingen aangepakt met betrekking tot het ontwerp van unipolaire systemen. Kris Myny: "Metalloxide-dunnelaagtransistors op basis van IGZO zijn van nature n-type. Dit leidt tot schakelingen met een hoger (statisch) stroomverbruik in vergelijking met complementaire technologieën. Om dit probleem op te lossen, hebben wij onze eigen ontwerpproces ontwikkeld, gebaseerd op een open-source bestand van de MOS6502-microprocessor - een van de meest gebruikte microprocessors ooit ontwikkeld. We hebben het aantal cellen en logische poorten zo ontworpen dat we het optimale ontwerp voor onze flexibele 6502-microprocessor hebben bereikt qua oppervlakte, prestaties en snelheid - met behulp van pseudo-CMOS voor onze logische familie. Met dit unieke ontwerpproces konden we een nieuwe standaardcelbibliotheek creëren voor metalloxide-dunnelaagtechnologie, die kan worden gebruikt voor innovatieve toepassingen op basis van metalloxide-dunnelaagtechnologie. Dit werk is een prachtige afsluiting van mijn ERC Starting Grant, die gericht was op het openen van nieuwe perspectieven op het gebied van dunnelaagtransistortechnologie.

Voor de productie van de flexibele microprocessor heeft imec samengewerkt met de foundry-partner PragmatIC, wiens unieke FlexIC-Foundry® snelle prototyping en rendabele serieproductie van flexibele geïntegreerde schakelingen mogelijk maakt. Brian Cobb, VP Product Development bij PragmatIC: "Tot voor kort was er geen volwassen en robuuste technologie om zo'n groot aantal dunne film-transistors met voldoende opbrengst te integreren. Onze baanbrekende FlexLogIC®-productie maakt nu de snelle implementatie van dergelijke complexe nieuwe ontwerpen mogelijk tegen extreem lage kosten en levert IC's op dunne en flexibele wafers. Onze FlexIC-Foundry-service helpt ontwerpteams zoals dat van imec om het scala aan ontwerpen en toepassingsgevallen voor flexibele elektronica uit te breiden."

Dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van de ERC Starting Grant FLICs onder financiële overeenkomst nr. 716426, binnen het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie.