17 feb. 1999
4 minuten
Al tientallen jaren beloven hoopvolle technici een wereld waarin absoluut elk object dat je tegenkomt – verbandmiddelen, flessen, bananen – een mate van slimheid zal hebben dankzij supergoedkope programmeerbare plastic processors. Dat is nog niet gebeurd, omdat niemand werkende processors kon bouwen die per miljard kunnen worden geproduceerd voor minder dan een cent per stuk. Maar dat kan nu wel.
In onderzoek dat wordt gepresenteerd op het International Symposium on Computer Architecture, presenteert een team van ingenieurs van de University of Illinois Urbana-Champaign en de Britse fabrikant van flexibele elektronica, PragmatIC Semiconductor, een eenvoudige maar volledig functionele plastic processor die kan worden gemaakt op prijzen onder de cent.
Het Illinois-team heeft speciaal 4-bits en 8-bits processors ontworpen om de grootte te minimaliseren en het percentage werkende geïntegreerde schakelingen te maximaliseren. Eenentachtig procent van de 4-bits versie werkte, en dat is een voldoende opbrengst, zegt teamleider Rakesh Kumar, om de barrière van één cent te doorbreken.
De processors zijn gemaakt met behulp van de flexibele dunne-film halfgeleider indium gallium zinkoxide (IGZO), die op plastic kan worden gebouwd en blijft werken, zelfs wanneer gebogen rond een straal van millimeters. Maar hoewel een betrouwbaar productieproces een vereiste is, was het het ontwerp dat het verschil maakte.
In plaats van een bestaande microcontroller-architectuur aan te passen aan plastic, begon het team van Kumar helemaal opnieuw met het maken van een ontwerp met de naam Flexicore. "De opbrengst daalt heel snel naarmate je meer poorten toevoegt", zegt Kumar. Omdat ze dat wisten, bedachten ze een ontwerp dat bedoeld was om het aantal benodigde poorten tot een minimum te beperken. Het gebruik van 4-bits en 8-bits logica in plaats van 16-bits of 32-bits was daar een stap in. Net als het scheiden van het geheugen dat instructies opslaat van het geheugen dat gegevens opslaat. Maar ze verminderen ook het aantal en de complexiteit van de instructies die de processor kan uitvoeren.
Het team heeft de processor verder vereenvoudigd door hem zo te ontwerpen dat hij een instructie uitvoert in een enkele klokcyclus in plaats van de meerstaps-pipelines van de huidige CPU’s. Vervolgens ontwierpen ze logica die die instructies implementeert door onderdelen opnieuw te gebruiken, waardoor het aantal poorten verder wordt verminderd. "Over het algemeen waren we in staat om het ontwerp van FlexiCores te vereenvoudigen door ze af te stemmen op de behoeften van flexibele applicaties, die doorgaans rekenkundig eenvoudig zijn", zegt student Nathaniel Bleier.
Waarom geen silicium?
Je vraagt je misschien af waarom siliciumprocessors het werk van supergoedkoop flexibel computergebruik niet kunnen doen. Kumar’s analyse suggereert dat het niet zal werken. Vergeleken met plastic is silicium duur en inflexibel, maar als je de chip klein genoeg maakt, kan het plastic er gewoon omheen buigen. Silicium faalt echter om twee redenen: een daarvan is dat hoewel het gebied van de schakelingen superklein kan worden gemaakt, je toch een relatief grote hoeveelheid ruimte rond de randen moet laten zodat de chip uit de wafer kan worden gesneden. In het geval van een microcontroller die zo eenvoudig is als de Flexicore, zou er meer ruimte rond de rand zijn dan er een gebied met circuits is. Bovendien heb je nog meer ruimte nodig om voldoende I/O-pads te plaatsen, zodat data en stroom de chip kunnen bereiken. Plots heb je een groot gebied van kostbaar, blanco silicium, waardoor de kosten tot boven de kritische grens van 0,01 dollar stijgen.
Dit alles resulteerde in een 5-bits FlexiCore van 5,6 vierkante millimeter, bestaande uit slechts 2104 halfgeleiders, ongeveer hetzelfde als het aantal transistors in een Intel 4004 uit 1971. "Het is een orde van grootte minder dan de kleinste siliciummicrocontrollers in termen van poorttelling", zegt Kumar. Het team ontwikkelde ook een 8-bits versie van FlexiCore, maar die presteerde niet zo goed.
Het team produceerde met plastic gecoate wafers vol 4-bits en 8-bits processors en testte ze op verschillende spanningen op meerdere programma’s terwijl ze onzder pardon werden gebogen en gestrekt. Een baanbrekend experiment, volgens Kumar. D"e meeste onderzoeksprocessors die zijn gebouwd met behulp van niet-siliciumtechnologieën presteren zo slecht dat de resultaten worden gerapporteerd van één of in het beste geval een paar werkende chips. Dit is het eerste werk, voor zover wij weten, waar iemand gegevens van meerdere chips heeft gerapporteerd voor niet-siliciumtechnologie."
Na dit succes bedacht het team nog een ontwerptool om architecturale optimalisaties voor verschillende toepassingen te onderzoeken. Die toonde onder mer aan dat het stroomverbruik aanzienlijk kon worden verminderd door iets meer poorten te maken.
"De chipindustrie is gericht op de statistieken van kracht en prestaties en tot op zekere hoogte betrouwbaarheid", merkt Kumar op. "We hebben ons niet gericht op kosten, conformiteit en dunheid. Door ons daarop te concentreren, kunnen we nieuwe computerarchitecturen bouwen en ons richten op nieuwe toepassingen."
John Rogers, pionier op het gebied van flexibele elektronica, van de Northwestern University (VS), noemde het werk ‘zeer indrukwekkend’. Hij kijkt uit naar experimentele studies naar de effecten van buigen op circuitprestaties.
Anderen lazen ook
