Flexible Elektronik Biegsamer Plastik-Prozessor spielt Snake

Dünnfilmtransistoren bilden die Basis des „schnellsten flexiblen 8-Bit-Mikroprozessor“. Laut den Entwicklungspartnern Imec, KU Leuven und PragmatIC Semiconductor soll dieser besonders für Anwendungen geeignet sein, die nur wenig Strom verbrauchen dürfen.

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Flexible Leiterplatten sind heute bereits vielfältig im Einsatz. Biegsame Prozessoren jedoch sind ein echtes Novum. Genau das stellt das Imec, Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien mit seinen Partnern, der Königliche Universität (KU) Leuven und PragmatIC Semiconductor, diese Woche auf der „2022 International Solid-State Circuits Conference“ (2022 ISSCC) vor: Einen biegsamen 8-Bit-Mikroprozessor, hergestellt in flexibler 0,8-µm-Metalloxid-Technologie. Er soll gleich auch noch der schnellste seiner Art sein und in der Lage sein, komplexen Assemblercode in Echtzeit auszuführen.

Laut Imec wurde der Mikroprozessor mit einem neuartigen digitalen Designprozess implementiert, der das Erstellen einer neuen Standardzellenbibliothek für Metalloxid-Dünnschichttechnologien ermöglicht, mit der sich eine breite Palette von IoT-Anwendungen entwickeln lassen sollen. Die nach eigenen Angaben robuste Dünnschichttechnologie von PragmatIC Semiconductor, dem Foundry-Partner von Imec, war demnach der Schlüssel zur Integration der etwa 16.000 Metalloxid-Dünnschichttransistoren auf einem 24,9 mm² großen flexiblen Chip.

Biegbarer Prozessor verarbeitet Signale

Flexible Elektronik auf der Basis von Dünnfilmtransistoren ist gegenüber Silizium-CMOS-basierter Elektronik für Anwendungen eher geeignet für das Entwickeln von kostengünstigen, dünnen, flexiblen und/oder formbaren Geräte erfordern. Die Technologie hat sich bereits durchgesetzt, z. B. bei Sensoren für Gesundheits-Patches und RFID-Etiketten sowie als Treiber für Flachbildschirme. Was bis jetzt noch fehlt, ist ein flexibler Mikroprozessor, der komplexere Berechnungen für die Signalverarbeitung durchführen kann und so eine breite Palette von IoT-Anwendungen um Rechenfunktionen erweitert.

Einen solchen flexiblen 8-Bit-Mikroprozessor hat Imec nun in 0,8-µm-Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO)-Transistortechnologie entwickelt. Kris Myny, leitender Wissenschaftler am Imec, erklärt: „Unser flexibler Mikroprozessor weist hervorragende Eigenschaften für IoT-Anwendungen auf!“ Dazu zählt er das hohe Rechentempo (71,4 kHz maximale Betriebsgeschwindigkeit), die geringe Leistungsaufnahme (11,6 mW bei 10 kHz, 134,9 mW bei maximaler Betriebsgeschwindigkeit) und die hohe Transistor-Integrationsdichte (rund 16.000 Transistoren mit 0,8 µm Gate-Länge auf einem 24,9 mm² großen Chip). „Außerdem werden wir auf der ISSCC 2022 den korrekten Betrieb unserer Schaltung in Echtzeit demonstrieren, indem wir den komplexen Assemblercode des beliebten Spiels Snake ausführen.“

Metalloxid-Dünnschichttransistoren auf der Basis von IGZO

Mit dem neuen Mikroprozessor wäre Imec wichtige Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Design von unipolaren Systemen angegangen, erklärt Myny: „Metalloxid-Dünnschichttransistoren auf der Basis von IGZO sind von Natur aus n-Typ. Dies führt zu Schaltungen mit einem höheren (statischen) Stromverbrauch im Vergleich zu komplementären Technologien.“ Um dieses Problem zu lösen, hätte sein Team einen eigenen Design-Flow entwickelt, ausgehend von der Open-Source-Datei des MOS6502-Mikroprozessors – einem der einflussreichsten Mikroprozessoren, die je entwickelt wurden.

„Wir haben die Zahl der Zellen und Logikgatter so gestaltet, dass wir das optimale Design für unseren flexiblen 6502-Mikroprozessor in Bezug auf Fläche, Leistung und Geschwindigkeit erhalten haben – unter Verwendung von Pseudo-CMOS als unsere Logikfamilie“, sagt Myny. Mit diesem „einzigartigen Designfluss“ konnten die Forscher eine neue Standardzellenbibliothek für die Metalloxid-Dünnschichttechnologie erstellen, die für innovative Anwendungen auf der Grundlage der Metalloxid-Dünnschichttechnologie verwendet werden kann. „Diese Arbeit ist ein schöner Abschluss meines ERC Starting Grant, das darauf abzielte, neue Horizonte auf dem Gebiet der Dünnschichttransistortechnologie zu eröffnen“, freut sich Myny.

Spezialist für biegsame Elektronik als Fertigungspartner

Für die Herstellung des flexiblen Mikroprozessors hat sich Imec mit dem Foundry-Partner PragmatIC zusammengetan. Die „einzigartige FlexIC-Foundry“ würde ein schnelles Prototyping und eine ertragreiche Serienfertigung von flexiblen integrierten Schaltungen ermöglichen, sagt Brian Cobb, Vice President Product Development bei PragmatIC: „Bis vor kurzem gab es keine ausgereifte und robuste Technologie, um eine so große Anzahl von Dünnfilmtransistoren mit ausreichender Ausbeute zu integrieren.“ Erst mit der FlexLogIC-Fertigung sei der Durchbruch gelungen. Diese ermöglich die schnelle Umsetzung auch von komplexen Designs zu sehr niedrigen Kosten. Ergebnis seien ICs auf dünnen und flexiblen Wafern. „Unser FlexIC-Foundry-Service trägt dazu bei, dass Designteams wie das von Imec das Spektrum der Designs und Anwendungsfälle für flexible Elektronik erweitern können“, sagt Cobb.

Diese Forschung wurde im Rahmen des ERC Starting Grant FLICs unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 716426 im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union durchgeführt.

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