Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies.



05.09.2022

Łatwiejsza migracja do chmur

Commvault i Oracle rozszerzyły partnerską współpracę i wspólnie oferują rozwiązanie...
01.09.2022

Badanie sieci

QNAP ogłosił wprowadzenie oprogramowania ADRA Network Detection and Response (NDR) dla...
01.09.2022

5G w Polsce

Z badania Kearney 5G Readiness Index 2022 wynika, że Polska jest jednym z najgorzej...
01.09.2022

Zarządzanie działaniami

Fortinet zaprezentował chmurową usługę, która koreluje informacje dotyczące...
01.09.2022

Selektywna rejestracja

Naukowcy z UCLA przedstawili projekt inteligentnej kamery, która pozwala wybrać, jaki...
01.09.2022

Więcej mocy, komputer...

Profesjonalny komputer Dell Precision 7865 Tower z AMD Ryzen Threadripper PRO 5000...
01.09.2022

Rekord prędkości

Firma Aorus zapowiada superszybki dysk, następcę modelu Gen4 7000s SSD, który ma oferować...
01.09.2022

Beprzewodowe drukowanie

Firma Brother wprowadziła do swojego portfolio nowe urządzenie wielofunkcyjne z systemem...
01.09.2022

Obraz dobrze zaprogramowany

Monitor interaktywny Lyra to połączenie Androida 11, szyby antybakteryjnej, wbudowanego...

Alternatywa dla krzemu

Data publikacji: 01-09-2022 Autor: Adam Kamiński

Już od wielu lat spece od technologii malują wizję świata, w którym każdy przedmiot codziennego użytku będzie wyposażony w jakiś rodzaj elektroniki. Powodem, dla którego te wizje się jeszcze nie ziściły, jest koszt produkcji i dostępność krzemowych mikroprocesorów. Wygląda jednak na to, że najnowsze osiągnięcia naukowców z Uniwersytetu Illinois w Urbanie i Champaign mogą rozwiązać ten problem.

 

Aż trudno uwierzyć, że pierwszy na świecie komercyjnie produkowany mikroprocesor – Intel 4004 – ma już ponad 50 lat. Ta niepozorna czterobitowa jednostka z 2300 tranzystorami wykonana
w 10-μm procesie technologicznym zdolna była jedynie do prostych obliczeń arytmetycznych. Od 1971 r. doszliśmy do etapu, w którym najnowocześniejsze krzemowe 64-bitowe mikroprocesory mają 30 miliardów tranzystorów (np. mikroprocesor AWS Graviton2 wykonany w 7-nm procesie technologicznym). Jednak krzem będący jego podstawą nie sprawdza się we wszystkich zastosowaniach i bywa kłopotliwy ze względu na wciąż drogi proces produkcji układu scalonego. Mikroprocesor stał się metawynalazkiem i jest narzędziem, które umożliwia tworzenie innych wynalazków.


Mikroprocesory są sercem każdego urządzenia elektronicznego, w tym smartfonów, laptopów, serwerów, a także przedmiotów tworzących Internet Rzeczy. Statystyki dotyczące IoT informują o miliardowym przyroście urządzeń tego typu rocznie. Prawda jest jednak taka, że wysokie koszty chipów krzemowych hamują ich faktyczny wzrost. Chociaż co najmniej jeden konwencjonalny mikroprocesor krzemowy wbudowany jest w każde „inteligentne” urządzenie na Ziemi, kluczowym wyzwaniem dla technologii jest uczynienie inteligentnymi przedmiotów codziennego użytku, takich jak opakowania na żywność, odzież czy artykuły medyczne. Koszt jest najważniejszym czynnikiem uniemożliwiającym zastosowanie konwencjonalnej technologii krzemowej w tych przedmiotach. Chociaż ekonomia skali w produkcji krzemu pomogła w znacznym obniżeniu kosztów, to cena jednostkowa mikroprocesora jest nadal zaporowo wysoka. Ponadto chipy krzemowe nie są naturalnie cienkie, elastyczne i podatne na kształtowanie, a wszystkie te cechy są wysoce pożądane w przypadku elektroniki wbudowanej w przedmioty codziennego użytku. Nic więc dziwnego, że producenci sprzętu elektronicznego pracują nad znalezieniem tańszej i prostszej alternatywy.


Elastyczna elektronika


W przeciwieństwie do konwencjonalnych urządzeń półprzewodnikowych elastyczne urządzenia elektroniczne są budowane na podłożach takich jak papier, plastik lub folia metalowa. Wykorzystując cienkowarstwowe materiały półprzewodnikowe, takie jak surowce organiczne, tlenki metali lub krzem amorficzny, oferują szereg zalet w porównaniu z krzemem, w tym cienkość, możliwość dostosowania i niskie koszty produkcji. Tranzystory cienkowarstwowe (ang. Thin-Film Transistors, TFT) mogą być wytwarzane na elastycznych podłożach przy znacznie niższych kosztach przetwarzania niż tranzystory polowe MOSFET (ang. Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) wytwarzane na krystalicznych płytkach krzemowych. TFT umożliwia tworzenie produktów elektronicznych o nowatorskich kształtach i w cenach nieosiągalnych dla krzemu, co znacznie rozszerza zakres potencjalnych zastosowań.


Podczas gdy niektóre elastyczne komponenty, takie jak pamięci, czujniki, diody elektroluminescencyjne czy obwody drukowane zostały już prototypowo opracowane, brak elastycznego mikroprocesora był główną przeszkodą w realizacji w pełni elastycznej elektroniki. Jego powstanie powstrzymywała konieczność zintegrowania stosunkowo dużej liczby TFT na elastycznym podłożu, by mógł on wykonywać jakiekolwiek znaczące obliczenia.


Plastik zamiast krzemu


Badania nad stworzeniem elastycznego procesora rozpoczęły już w 2013 r. Arm Research wraz z PragmatIC Semiconductor, zaczynając od budowy prototypowych układów, w tym oscylatorów pierścieniowych, liczników i tablic rejestrów przesuwnych. Do 2015 r. zbudowano pierwszy PlasticArm, który przez ograniczenia technologiczne niestety nie był w pełni działającą jednostką. Dopiero kilka lat później dostępny stał się system produkcyjny FlexLogIC firmy PragmatIC i to dzięki niemu oraz doświadczeniom z innych projektów 27 października 2020 r. udało się wyprodukować pierwszy na świecie w pełni funkcjonalny niekrzemowy procesor Arm. PlasticArm, bo tak nazwano układ, wykorzystywał technologię tranzystorów z tlenkiem metalu (TFT) na podłożu poliimidowym. Poliimid to wytrzymały rodzaj tworzywa termoplastycznego, który jest umiarkowanie elastyczny, a TFT są tanie i mogą być również skalowane do mniejszych geometrii wymaganych do integracji na dużą skalę.


PlasticArm to ultraminimalistyczny SoC oparty na Cortex-M0, mający zaledwie 128 bajtów pamięci RAM i 456 bajtów pamięci ROM. Jego aktywna powierzchnia to 59 mm2, której połowę zajmuje 32-bitowy procesor Arm Cortex-M0+. Wyposażony jest w 18344 bramki ekwiwalentne NAND2, 56340 tranzystory NMOS i rezystory. Chociaż procesor Cortex-M w PlasticARM nie jest produktem standardowym, to implementuje architekturę Armv6-M obsługującą 16-bitowy Thumb i podzbiór 32-bitowych architektur zestawów instrukcji Thumb, a więc jest binarnie kompatybilny ze wszystkimi procesorami klasy Cortex-M, w tym Cortex-M0+, z tej samej rodziny architektury. Kluczowa różnica między Cortex-M w PlasticARM a Cortex-M0+ polega na tym, że określona część pamięci RAM w SoC została przeznaczona na rejestry procesora (około 64 bajtów) i przeniesiono je z procesora do pamięci RAM w Cortex-M w PlasticARM, podczas gdy w Cortex-M0+ rejestry pozostają w jego procesorze. Duża redukcja (około trzykrotna) powierzchni procesora została osiągnięta poprzez wyeliminowanie rejestrów z CPU i wykorzystanie istniejącej pamięci RAM na przestrzeń rejestrów, kosztem wolniejszego do nich dostępu.

 

[...]

Pełna treść artykułu jest dostępna w papierowym wydaniu pisma.

prenumerata Numer niedostępny Spis treści

.

Transmisje online zapewnia: StreamOnline

All rights reserved © 2019 Presscom / Miesięcznik \"IT Professional\"