Imec, KU Leuven i PragmatIC Semiconductor demonstrują najszybszy elastyczny 8-bitowy mikroprocesor do energooszczędnych zastosowań

Elastyczny 8-bitowy mikroprocesor firmy Imec obok monety o nominale 2 euro.

Zrzut ekranu gry Snake w akcji i dane czasowe.

W tym tygodniu imec, światowy lider w dziedzinie badań i innowacji w zakresie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, KU Leuven oraz PragmatIC Semiconductor, światowy lider w dziedzinie elastycznej elektroniki, zaprezentują na konferencji International Solid-State Circuits Conference (2022 ISSCC) najszybszy 8-bitowy mikroprocesor w elastycznej technologii metalo-oksydowej 0,8 µm, zdolny do wykonywania złożonych instrukcji asemblera w czasie rzeczywistym. Mikroprocesor został opracowany przy użyciu unikalnego cyfrowego procesu projektowania, który umożliwił stworzenie nowej biblioteki standardowych komórek dla technologii cienkich warstw metalo-oksydowych, istotnej dla rozwoju szerokiej gamy zastosowań IoT. Solidna technologia cienkich warstw PragmatIC Semiconductor, partnera foundry imec, była kluczem do integracji około 16 000 tranzystorów metalo-oksydowych na elastycznym układzie o powierzchni 24,9 mm2.

Elastyczna elektronika oparta na cienkich tranzystorach jest preferowana w porównaniu z elektroniką opartą na Si-CMOS w zastosowaniach, które wymagają tanich, cienkich, elastycznych i/lub giętkich urządzeń. Technologia ta już się sprawdziła, np. w sensorach do zdrowotnych plastrów i etykiet RFID, a także jako napędy dla płaskich ekranów. To, czego jeszcze brakuje, to elastyczny mikroprocesor, który mógłby wykonywać bardziej złożone obliczenia przetwarzania sygnałów, rozszerzając tym samym zakres funkcji obliczeniowych dla szerokiej gamy zastosowań IoT.

Imec opracowało elastyczny mikroprocesor 8-bitowy w technologii tranzystorów IGZO (Indium-Gallium-Zinc-Oxide) o rozmiarze 0,8 µm, który potrafi wykonywać takie złożone obliczenia. Kris Myny, główny naukowiec w imec: "Nasz elastyczny mikroprocesor wyróżnia się doskonałymi właściwościami dla zastosowań IoT, w tym wysoką prędkością (maksymalna częstotliwość taktowania 71,4 kHz), niskim poborem mocy (11,6 mW przy 10 kHz, 134,9 mW przy maksymalnej częstotliwości taktowania) oraz wysoką gęstością integracji tranzystorów (~16 000 tranzystorów z bramką o długości 0,8 µm na układzie o powierzchni 24,9 mm2). Ponadto, na ISSCC 2022 zaprezentujemy bezbłędne działanie naszego układu w czasie rzeczywistym, wykonując złożony kod asemblera popularnej gry Snake."

Dzięki nowemu mikroprocesorowi imec podjął ważne wyzwania związane z projektowaniem systemów unipolarnych. Kris Myny: "Metalo-oksydowe tranzystory cienkowarstwowe oparte na IGZO są z natury typu n. Prowadzi to do układów o wyższym (statycznym) poborze prądu w porównaniu z technologiami komplementarnymi. Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy własny proces projektowania, zaczynając od otwartego pliku mikroprocesora MOS6502 — jednego z najczęściej używanych mikroprocesorów, jakie kiedykolwiek powstały. Zmieniliśmy liczbę komórek i bramek logicznych tak, aby uzyskać optymalny projekt dla naszego elastycznego mikroprocesora 6502 pod względem powierzchni, wydajności i szybkości — wykorzystując pseudo-CMOS dla naszej rodziny logiki. Dzięki temu unikalnemu procesowi projektowania udało nam się stworzyć nową bibliotekę standardowych komórek dla technologii cienkich warstw metalo-oksydowych, którą można wykorzystać w innowacyjnych zastosowaniach opartych na tej technologii. Ta praca jest wspaniałym zwieńczeniem mojego grantu ERC Starting, którego celem było otwarcie nowych perspektyw w dziedzinie technologii tranzystorów cienkowarstwowych.

W celu wyprodukowania elastycznego mikroprocesora, imec nawiązał współpracę z partnerem foundry PragmatIC, którego unikalna fabryka FlexIC Foundry® umożliwia szybkie prototypowanie i opłacalną seryjną produkcję elastycznych układów scalonych. Brian Cobb, VP ds. rozwoju produktów w PragmatIC: "Do niedawna nie istniała dojrzała i solidna technologia pozwalająca na integrację tak dużej liczby tranzystorów cienkowarstwowych z odpowiednią wydajnością. Nasza przełomowa produkcja FlexLogIC® umożliwia teraz szybkie wdrażanie tak złożonych nowych projektów przy ekstremalnie niskich kosztach i dostarcza układy IC na cienkich i elastycznych waflach. Nasza usługa foundry FlexIC pomaga zespołom projektowym, takim jak z imec, rozszerzyć zakres projektów i zastosowań elastycznej elektroniki."

Badania te zostały przeprowadzone w ramach grantu ERC Starting FLICs, na podstawie umowy finansowej nr 716426, w ramach programu badawczo-innowacyjnego Horizon 2020 Unii Europejskiej.