por JOHN TIMMER
La electrónica flexible se ha hecho antes, pero no a esta escala.
Los dispositivos electrónicos portátiles, como relojes y rastreadores de actividad, representan el siguiente paso lógico en la informática. Han despertado un interés en el desarrollo de productos electrónicos flexibles, que podrían expandir la categoría para incluir productos como ropa y mochilas.
Sin embargo, la electrónica flexible presenta un problema: nuestro hardware de procesamiento es todo menos flexible. La mayoría de los esfuerzos para hacer frente a esa limitación han implicado dividir los procesadores en una colección de unidades más pequeñas, vincularlas con cableado flexible y luego incrustar todos los componentes en un polímero flexible. Hasta cierto punto, el proceso es un retroceso a los primeros días de la informática, cuando una unidad de punto flotante podría residir en un chip separado.
Pero un grupo dentro de la empresa de semiconductores Arm ha logrado implementar uno de los diseños integrados más pequeños de la empresa utilizando silicio flexible. El diseño funciona y ejecuta todas las instrucciones que esperarías de él, pero también ilustra los compromisos que tenemos que hacer para producir componentes electrónicos verdaderamente flexibles.
No del todo CMOS
La idea básica detrás de la electrónica flexible es notablemente simple: comience con un sustrato flexible (como plástico o papel) y utilícelo como sustrato para fabricar una capa delgada de un semiconductor flexible. Una variedad de semiconductores se ajustan a los requisitos, desde materiales atómicamente delgados hasta polímeros semiconductores. Pero la mayoría de las opciones no son tecnologías maduras con respecto a su uso en la fabricación de puertas lógicas, por lo que trabajar con ellas implica dos capas de experimentación, tanto con los materiales mismos como con su flexibilidad.
El silicio amorfo es una opción algo familiar. El silicio utilizado en la fabricación de los procesadores existentes es cristalino, lo que significa que tiene la forma de una matriz ordenada de átomos. El silicio amorfo no lo es y, como resultado, es flexible. Además, sabemos cómo trabajar con silicio amorfo, ya que lo usamos para cosas como paneles solares y LCD. También es económico, en parte porque se puede procesar en transistores mediante técnicas más simples que las necesarias para el silicio cristalino.
La desventaja es que el silicio amorfo se queda corto en varias medidas, incluido el rendimiento, la eficiencia energética y la densidad del circuito. Dicho esto, muchos de los usos potenciales de la electrónica flexible no requieren mucho rendimiento.
PlasticArm
De acuerdo con la idea de requisitos mínimos de rendimiento, el equipo de Arm trabajó con PragmatIC Semiconductor para implementar una versión del procesador Arm’s Cortex M0 + denominada “PlasticArm”. El M0 + es un procesador de 32 bits que puede ejecutar un subconjunto simplificado de las instrucciones “pulgar” de Arm; está optimizado para tamaños pequeños y bajo consumo de energía, y generalmente se utiliza como procesador integrado.
Incluso para los estándares de un procesador muy simplificado, PlasticArm tenía algunas características distintas que lo distinguen. Por un lado, los pequeños bits de memoria que usan los procesadores para almacenar los datos en los que están trabajando (llamados “registros”) normalmente se encuentran en el propio procesador porque mata el rendimiento para ir a la RAM externa para leer esta memoria. Para simplificar el procesador de PlasticArm, los registros de la CPU están ubicados en una sección de reserva de la RAM, y el sistema se creó con solo 128 bytes de RAM.
El sistema y las aplicaciones que se ejecutan en PlasticArm se mantienen en un chip ROM de 456 bytes que también está separado del hardware de procesamiento. En este momento, la ROM no se puede actualizar (es de solo lectura), pero el equipo espera cambiar eso en la próxima iteración.
Todas las piezas clave (el procesador, la RAM, la ROM y las interconexiones) se hicieron con silicio amorfo y se fabricaron en un polímero flexible. El sistema también tiene pines para comunicaciones fuera del chip.
En general, el rendimiento no es bueno. Su velocidad máxima de reloj es de unos majestuosos 29 kilohercios, y consume unos 20 milivatios a esa velocidad. Eso puede parecer muy poco, pero un M0 + implementado en silicio estándar solo necesita un poco más de 10 microvatios para alcanzar un megahercio. En el lado positivo, tiene más de 18.000 puertas individuales, que es más de un orden de magnitud más alto que cualquier procesador flexible descrito anteriormente. También ejecutó con éxito todo el software en su ROM, aunque los investigadores solo hicieron pruebas sin molestarse en usar la característica distintiva del procesador; en realidad, nunca lo flexionaron.
¿Próximos pasos?
El equipo ya está planificando sus próximos pasos, que consisten principalmente en reducir el consumo de energía. Esa reducción es apropiada dada la brecha entre el rendimiento del procesador y el del silicio estándar. Los investigadores también esperan que el recuento de puertas supere las 100.000, aunque creen que el enfoque terminará llegando al máximo en algún lugar por debajo de un millón de puertas.
El artículo que describe el procesador termina especulando sobre el potencial de una “Internet de todo”, donde cosas como la ropa y el empaque de alimentos pueden tener un procesador flexible abofeteado. El párrafo es vago sobre lo que nos traerá esta expansión, sugiriendo simplemente que “desentrañaría las innovaciones”.
Dicho esto, muchos investigadores están trabajando para incorporar sensores y pequeñas fuentes de energía en cosas como la ropa para monitorear todo, desde la actividad hasta las exposiciones ambientales. Algunos de estos usos necesitarán un sistema para administrar su comportamiento y datos, y un procesador flexible se ajusta a la factura.
Nature, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03625-w ( Acerca de los DOI ).