Polimeri namesto kristalov

Letos so v ARM izdelali delujoč univerzalni procesor, ki je potreboval zgolj nekaj deset milivatov energije, hkrati pa je bil upogljiv. Nekaj mesecev pozneje so na Stanfordu pokazali upogljiv pomnilnik. Zamenjava kristaliničnega silicija s plastičnimi substrati iz polimerov v prihodnosti obljublja čipe tudi tam, kjer danes niso praktični. Pametna embalaža in pametna oblačila ne bodo več znanstvena fantastika.

Da se elektronika počasi seli tudi na človeka, se napovedali pametne ure in merilniki srčnega utripa ter drugih telesnih funkcij. Logični korak v razvoju so zato komponente, ki jih lahko upogibamo, mečkamo in morda celo prepogibamo. Če želimo sčasoma dobiti tudi pametna oblačila, nahrbtnike, embalažo in podobno, mora elektronika izpolnjevati troje pogojev: biti mora čim lažja in čim manjša, varčna in biti mora upogljiva. Prvi pogoj je najlažji, saj je celoten razvoj računalništva korakal proti miniaturizaciji. Tudi poraba energije je že obvladljiv problem, zato se moramo osredotočiti le še na zadnjega. Znebiti se bo treba rigidnosti.

Začetni poskusi spominjajo na neke starejše čase pred integracijo, ko je bil koprocesorski čip še ločen od centralnega procesorja. Upogljivost bi lahko dosegli na podoben način, če bi razkosali napravo na čim več komponent, ki bi bile povezane z mehkimi, upogljivimi povezavami. A takšne rešitve so okorne, neučinkovite in drage, zato proizvajalci intenzivno razvijajo prave upogljive čipe na fleksibilnih substratih. Med vodilnimi podjetji je ARM.

Sramežljivi začetki

Klasični čipi imajo silicijev substrat. Za proizvodnjo (Monitor 10/19, Kako nastane čip) potrebujemo silicijev monokristal, ki je krhek in rigiden material. Da bi bil čip fleksibilen, mora biti takšen tudi substrat, denimo papir, papirna ali kovinska folija. Tudi tranzistorji morajo biti tanki in uporabljati organske spojine, kovinske okside ali amorfni silicij. Ker so vsi ti materiali še sorazmerno slabo preizkušeni za izdelavo procesorjev, lovimo ravnotežje med dvema zahtevama: biti morajo dovolj fleksibilni in hkrati sposobni delovanja logičnih vrat. K sreči pa je v prid temu dejstvo, da od upogljivih naprav ne zahtevamo hitrostnih presežkov. Nič ni narobe, če so siromašnejše, dokler porabijo malo energije in se ne zlomijo pri mečkanju.

Medtem ko so v klasični čipih tranzistorji iz kovinskih oksidov na poljski efekt (MOSFET), so v fleksibilnih čipih to TFT (thin-film transistors). Ti sami po sebi niso nič novega, jih pa za kakršnekoli resne čipe potrebujemo več, kot jim jih je doslej uspelo stlačili na fleksibilne substrate. Uporabljal se je hibridni pristop, ko so na fleksibilne substrate integrirali klasične silicijeve rezine (dies), kar pa še vedno ni točno to, kar želimo. Tudi stroški so še vedno bistveno previsoki.

Prvi fleksibilni procesorji na polisilicijevih TFT so bili 8-bitni, a so jih pestili visoki stroški izdelave. Pojavili so se v začetku tega tisočletja. Hibridni pristop pa je leta 2017 prinesel dvodimenzionalni 1-bitni procesor s tranzistorji iz molibdenovega sulfida. Dve leti pozneje smo dobili še 16-bitni procesor s tranzistorji iz ogljikovih nanocevk, ki je prav tako uporabljal hibridni pristop. TFT iz kovinskih oksidov pa so najprej uporabili za izdelavo aritmetičnih logičnih enot. Lani so izdelali tudi fleksibilno integrirano vezje za strojno učenje, kar pa ni procesor v ozkem smislu besede, ker ne zmore opravljati poljubnih operacij.

Poskus podjetja ARM

Pravi 32-bitni mikroprocesor torej potrebuje: 32-bitno centralno enoto (CPU), procesor za pogovarjanje z zunanjimi enotami (peripherals) in SoC s procesorjem, pomnilnikom in z vodili. ARM je letos izdelal prav takšen mikroprocesor Arm Cortex-M0+ na arhitekturi Armv6-M. Celoten SoC (system-on-a-chip) se imenuje PlasticARM in je sposoben poganjati programe, ki so naloženi v notranjem pomnilniku. Procesor vsebuje ekvivalent 18.334 vrat NAND2, s čimer je najkompleksnejše integrirano vezje s TFT na fleksibilnem substratu.

V praksi je to izdelek, ki ima 32-bitni procesor, pomnilniški del, medsebojne povezave in priključke za zunanja vodila. Vsebuje dvostopenjski cevovod, v katerem se lahko izvede 86 različnih ukazov (Armv6-M). S tem sodi med enostavnejše procesorje, saj je ARM že tako in tako arhitektura RISC (reduced instruction set computer). Moderni procesorji CISC imajo med 300 in 400 ukazov.

Nekoč bomo morda imeli pametno kartonsko embalažo, pametne cerade, pametna oblačila ali pa zgolj trpežnejšo in varčnejšo elektroniko.

Izdelek ima še krmilnik NVIC (Nested Vector Interrupt Controller) za upravljanje prekinitev (interrupt) zunanjih naprav, pomnilnika RAM in ROM, dva pina GPIO (General-Purpose Input-Output) za komunikacijo navzven. ROM ima kapaciteto 456 bajtov, RAM pa vsega 128. V ROM so zapečeni sistemi in aplikacije, ki jih čip lahko poganja in jih ne moremo spreminjati. Del RAM pa je namenjen procesorskim registrom, s čimer je procesor enostavnejši.

Skupno čip meri 59,2 kvadratnega milimetra in ima 56.340 elementov (tranzistorji ali uporniki). Teče s frekvenco 29 kHz in za to porabi 21 mW energije. To ni tako malo, kot se zdi, saj Cortex-M0+ na klasičnem substratu, ki teče z megahercem, porabi pol manj. Upogibanje pač zahteva kompromise, čeprav – zanimivo – tega SoC nikoli niso preizkusili zvitega.

Razvoj se bo brez dvoma še nadaljeval in zmanjšanje porabe energije bo eden ključnih ciljev. Hkrati bodo poskušali povečati tudi število elementov, kar bi s trenutno tehnologijo šlo nekje do milijona, ocenjujejo. Za več pa bodo potrebni elementi iz CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). V trenutni implementaciji so vse bistvene dele izdelali iz amorfnega silicija na substratu iz fleksibilnega polimera.

Razpored komponent na rezini PlastiARM in njena velikost. Slika: Biggs, John et al. A natively flexible 32-bit Arm microprocessor. Nature, 595, 532–536 (2021)

Upogljivi pomnilnik

Samo mikroprocesor za izdelavo pametnih zmečkljivih materialov ne zadostuje. Nujen je vsaj še pomnilnik, ki mora biti prav tako zmečkljiv in energijsko varčen. Raziskovalci s Stanforda so se lotili tega problema in izdelali novo vrsto pomnilnika, ki ne potrebuje energije za ohranjanje vsebine (sodi torej med nevolatilne pomnilnike), a je njegova hitrost bliže klasičnemu RAM kakor flashu, hkrati pa se lahko še zvija.

Tudi to ni prva vrsta pomnilnika, ki je upogljiva, saj je iz ustreznih materialov mogoče izdelati tudi flash, feroelektrični RAM in uporovni RAM (RRAM). Na Stanfordu pa so uporabili pomnilnik, ki izkorišča princip spreminjanja faze, v kateri se nahaja sistem (phase change memory). Med shranjeno ničlo in enico preklaplja tako, da se material uredi v kristalinično ali razporedi v amorfno obliko, ki se razlikujeta po električni prevodnosti.

Preklapljanje med fazami dosežemo z električnim tokom, ki dovolj segreje celico, da se material raztali. Če električni tok hipoma ugasnemo, se bo hitro ohladila in material bo ostal v amorfni obliki, če pa tok počasi prekinjamo, bo ohlajanje dovolj počasno, da bo material zavzel stabilnejšo kristalinično obliko. Podatke potem prebiramo s šibkejšimi tokovi, ki ne spremenijo stanja, a še vedno omogočajo merjenje prevodnosti, ki se med amorfnim in kristaliničnim stanjem razlikuje.

Prav zapis podatkov predstavlja težavo, saj zahteva višje tokove, torej večjo porabo električne energije. Če želimo tak pomnilnik uporabljati na napravah, ki imajo šibek in nestalen dovod električne energije, moramo paziti, da uskladimo možnosti in dizajn pomnilnika.

Hkrati morajo biti celice obdane z materialom, ki ne prevaja električnega toka. Za ta namen se najbolje odrežejo različni polimeri namesto silicija, ki imajo še to prednost, da so fleksibilni. Na ta način privarčujemo tudi energijo, saj izolatorji upočasnijo odtekanje toplote v okolico. In res, v praksi je tak pomnilnik porabil 100-krat manj energije kakor različica na silicijevem substratu. Uporabili so aluminijev oksid, v katerega so izvrtali luknjico ter jo napolnili z antimonovim teluridom in germanijevim teluridom. Vse skupaj je sedelo na substratu iz polimera (poliimid).

V praksi je tak pomnilnik po 200 ciklih upogibanja in ravnanja še vedno deloval enako dobro kot po izdelavi. Stabilnost podatkov so preverili tudi z branjem, ki je tudi po 1.000 poskusih dalo enake rezultate. Na podoben način kakor pri flashu pa je mogoče takemu pomnilniku zvišati kapaciteto tako, da v eno celico shranimo več kot en bit podatkov. Med popolnoma kristalinično in amorfno obliko so namreč vmesne stopnje z vmesno prevodnostjo. Raziskovalci so pokazali, da lahko s preciznim odmerjanjem električnega toka celico obdržimo v vmesnih stanjih (vmesne prevodnosti) in tako shranimo več bitov informacije. Seveda pa je takšna izvedba bolj občutljiva na obstojnost podatkov.

Shema izdelave pomnilnika na fazno spremembo. Slika: Khan, Asir Intisar et al. Ultralow–switching current density multilevel phase-change memory on a flexible substrate. Science 373, 1243–1247 (2021)

Prihodnost je prožna

Tehnologij za izdelavo fleksibilne elektronike je več, večinoma pa vse uporabljajo plastične substrate, kot so poliimid, poliester ali PEEK (polieter eter keton). Preproste oblike smo uporabljali že vrsto leto, na da bi bili na to sploh pozorni. Tipični primer so tipkovnice, ki imajo fleksibilna vezja. Drugi primer so zasloni OLED (organske svetleče diode), ki imajo fleksibilne OLED. Uporabljajo se tudi v sončnih celicah, avtomobilski industriji in še marsikje.

A ti izdelki so pasivni oziroma precej »neumni«. Šele ko bomo imeli mikroprocesorje in pomnilnik spodobnih hitrosti in kapacitet, se bodo odklenili konceptualno drugačni načini uporabe. In tedaj bomo lahko imeli pametno kartonsko embalažo, pametne cerade, pametna oblačila ali pa zgolj trpežnejšo in varčnejšo elektroniko.